WO2005020412A1 - Feldkraftmaschine - Google Patents

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WO2005020412A1
WO2005020412A1 PCT/EP2004/009051 EP2004009051W WO2005020412A1 WO 2005020412 A1 WO2005020412 A1 WO 2005020412A1 EP 2004009051 W EP2004009051 W EP 2004009051W WO 2005020412 A1 WO2005020412 A1 WO 2005020412A1
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K53/00—Alleged dynamo-electric perpetua mobilia
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • H02K99/10—Generators

Definitions

  • the invention of the field force machine relates to potential fields and swirl fields or dipole fields, in particular to magnetic, electrical, thermal and gravitational fields and contains five groups of inventions which are interconnected so that they implement a general inventive idea.
  • the first invention relates to field force generators as a counterpart to the heat engine.
  • field force generators an elastic force field works controlled by a field modulator; the work is created by relaxing the previously tensioned field like a spring. This irreversible cycle process takes place in the p, V diagram with 4 cycles.
  • the field force generator can alternatively be constructed as a right or left cycle process machine.
  • the second invention relates to field semiconductor modulators. These are components that do not conduct, control, amplify, switch, or modulate electron currents, but fields (magnetic field, electric field, etc.)
  • the third invention relates to field force motors that are supplied with electrical energy.
  • the electrical energy is converted into force field surges by magnesians or electresers, which can be used as work.
  • the fourth invention of the connecting rod length variator is a new, highly efficient force-torque converter and can be used for motors, pumps, compressors and others
  • the FKG is designed depending on the intended use. For example, a FKG is used as a gas turbine replacement on high and constant
  • the shock wave field force motor is a highly dynamic, fundamentally new electric motor, because it is not the tangential force but the normal force that is implemented.
  • Longitudinal machines are reciprocating piston machines because they derive their effect from the creation of a large air gap between the PM's.
  • Transversal machines are only for shifting the PM - in relation to each other with a constant air gap - not like the generation of a large longitudinal air gap in reciprocating piston machines.
  • Types a) Rotary piston field force machine Radial "stroke", machine has no “dead centers”, movement conversion not necessary, no free mass forces (all can be compensated).
  • b) three-phase field force machine (Fig. 2 a, b, c) rotating field, similar to three-phase machine - axial and radial disc design
  • traveling field field machine Fig. 1.2 a, b, c) linear machine, linear oscillating or linear motion with traveling field Transversal FK vs.
  • the kinematic function in the operation of the FKM thus corresponds to a reciprocating piston machine that can be implemented in different types (see ff.).
  • the transverse FKM differs in that the repulsive ones
  • Magnets are always at the same longitudinal air gap distance, but the transverse repulsion-force-displacement characteristic is used in the tangential direction of the magnetic surfaces.
  • the FM also moves transversely in the kinematic version, but perpendicular to the transverse movement of the PM's, i.e. always in the same
  • transversal machines can be implemented as traveling field FKMs (translation machines) and rotating field FMs (rotating machines) - see FKM types.
  • a PS can also be used here to bridge the air gap with a large field flow.
  • the Fe / dkraftmaschine is on the one hand a counterpart to the heat engine (both generate a force or energy in a circular process in the p, V diagram, which can be converted into a torque by the crankshaft) and on the other hand to the dynamo principle of Michael Faraday (electric current becomes generated by moving an electrical conductor in a magnetic field), but with the essential difference that in the first case fuel (gasoline / gas etc.) and in the second case mechanical energy (torque, force) are supplied from the outside, etc.
  • the field batteries are installed as permanent magnets (PM / PE / SM) and are only supplied once from the outside - the system limit is therefore in front of the magnets.
  • the driving, force-generating permanent energy field (field force of the magnetic field battery) is in the overall system of the machine (initially comparable to a very long-lasting electrical charge of a battery or very long-lasting fuel rods of a NPP).
  • the field batteries no longer need to be replaced / replaced due to their special properties. Any kind of additional energy supply from the outside is therefore not necessary for field batteries in their practically unlimited lifetime.
  • Cars, planes, trains, ships, bikes, computers, pacemakers, energy "sources” in your own home or power plants, etc.) can be replaced so that there is no need to refuel or recharge during the lifetime of the system.
  • the FKG delivers the following result in the energy balance:
  • the field force generator consists of 3 parts: 2 field batteries FB and one
  • the field batteries can be magnets (permanent magnets PM or superconducting magnets SM) with control of the effect of the magnetic field or permanent electrets PE with control of the effect of the electrical field.
  • the principle of the field force generator according to the invention can also be applied to non-permanent potential and vortex fields.
  • the principle of the field force generator can be applied analogously to all types and dipole fields of potential fields, swirl fields and dipole fields.
  • the field generator can therefore also be based on the following principles: a) heat field engine, FM is a ditherm plus two heat field sources (thermal), as a thermal capacitor u./o. b) Realize gravitational field force machine, FM is a digravitum, plus two gravitational field sources (gravitum), as a gravitational capacitor.
  • the field force generator will be explained using the example of controlling the effect of the magnetic field in PMs.
  • the field force generator as an energy “source” (magnet PM / SM or electret PE) generates in the case of the PM from magnetic field energy permanent ferromagnetic fields with the help of a field modulator / FM mechanical energy.
  • the FM is a thin, magnetically switchable ferro layer with a toggle switch function that acts as an active FM for magnetic fields or electret fields between the conductive or blocking / isolating states and, if necessary, with a reinforcing effect.
  • new magnetically acting M-diodes and M-transistors are also used as M-bipolar or M-field-effect transistors as field modulators, and M-thyristors, M-GTO-thyristors, M-thyristor diodes, M in power magnetronics -Triac and M-IGBT, introduced.
  • the Feidkraftgenerator acts like a magnetic capacitor with the same name (antiparallel) of the magnetizations on the magnetic pole surfaces and a dimagnetic in between for mutual magnetic isolation and the establishment of a balance between repulsion PM and attraction FM.
  • inductance in the magnetic system
  • the electrifications in the ferro / ferrielectric are from
  • the field effect in the capacitor can also be controlled in the case of non-permanent fields and also in other types of potential and vortex fields.
  • ⁇ r is in the denominator, as is ⁇ r in the magnetic force law, ie the force between two charges / magnetizations is in dielectric / dimagnetic medium smaller. This is a case analogous to the electrical / magnetic capacitor with constant charge / magnetization; with dielectric / dimagnetic between the plates / magnetic plates, voltage U or ⁇ and field strength E or H decrease.
  • An FKG anti-condenser principle consists of:
  • Two diamagnetic plates are in equilibrium with no FM in between and are only repelled when there is a repelling FM-PM in between.
  • anode there is an anode ./. Between the magnetrodes (electrodes). M-cathode the dimagnetic.
  • a diagram can show the voltage-capacitance ranges of the magnetic FM capacitor types. - Ferro / ferri metal foil and dimagnetic foil
  • Two 2 field batteries permanent magnets with repulsive (or also attractive) orientation (antiparallel) repel each other with great force.
  • the decisive factor in field battery / magnet design is the ratio of force to dead weight, which has to be optimized by the kinetic energy of the moved
  • the force-displacement characteristic in the normal direction determines the work W that can be generated in a p, V diagram in an irreversible cycle.
  • a particularly advantageous magnet design is achieved through a sandwich arrangement.
  • a field battery we refer to magnets or electrets or superconducting magnets arranged in xyz or in a triangular network (Fig. 10).
  • the PM's or PE's or SM's can be interconnected to form PM / PE / SM field batteries in order to achieve a cumulative high force with relative to maintain low weight.
  • the KraüANeg function of the longitudinal force-displacement characteristic is to be designed according to the oscillation stroke and the required torque development (e.g. flat pole face, concave surface, cone, plunger magnet, etc.)
  • the FM field modulator is operated using a kinematic or stationary principle.
  • Kinematic FM The kinematic FM can be built passively and / or actively; it switches between matter in the field (FM conductive) to air / gas / vacuum in the field (non-conductive).
  • the active version uses the effect of attractive auxiliary fields to a) support the attraction or b) with an attractive effect to reduce the thickness of the FM c) to compensate for attractive / repulsive eddy current effects or magnetic transverse effects.
  • Stationary FM The stationary FM can only be implemented as an active FM with various alternative operating principles.
  • the field modulator is a dimagnetic. 1 FM between 2 PM acts like a magnetic capacitor with the essential feature of creating an equilibrium state by introducing the magnetic capacitance. A field modulator between the two magnets can therefore switch the repulsion of the PMs on or off (only the effect of the field, i.e. the energy in the space between the magnets).
  • a pole piece (PS) with anisotropic ferro / ferrimagnetic material can be used.
  • This anisotropic material between the magnets preferably conducts in the normal direction, so that the repulsion is reduced only very slightly. Also note a certain magnetic shape anisotropy that the
  • the field modulator and pole piece can be made in a kinematic (unsteady) or stationary version.
  • the "translucency" for magnetic flux quanta is switched between “open and” closed “without the FM or PS having to be moved.
  • the FM / PS is moved in an oscillating position.
  • the FM or PS can be arranged as an inline FM (between the magnets) and as an outline FM (outside the magnets).
  • the field effect control of the FM can be done with conductivity modulation or with channel cross-section modulation through a field across the channel.
  • FM lock open air, gas, vacuum between the PM,
  • FM closed soft magnetic material plus possibly static / dynamic auxiliary fields as active FM (Fig. 11).
  • the kinematic FM can carry components of the active FM to compensate for certain negative induction force effects (Fig. 12).
  • Stationary FM Dynamic change in conductivity (permeability or
  • the stationary FM always remains in its position in the middle (plane of symmetry) between the PMs.
  • This FM type can only be built as an active switch / amplifier, since it changes in its stationary effect and is not shifted kinematically in its position.
  • Variants a) can be used with or without induced eddy currents with lamination (permeability layer + anti-eddy current structure) (Fig. 1S) and open / closed shield housing geometry
  • the field modulator (FM - conductive) acts like a barrier / "insulator" for a magnetic field, just like in one
  • M transistor field quantum valve
  • the permeability ⁇ of the soft magnetic alloy determines the thickness s of the FM between the PM's (magnetic conductivity ⁇ - o ⁇ r ) due to very high permeability.
  • the very different "shielding" effect in a geometrically open or closed housing determines the degree of mutual shielding of the repelling PM's - each PM can have its own housing, which are coupled by the FM (Fig. 16). Bern. : In closed geometry, eddy currents are induced depending on the frequency, which lead to an increase in repulsion, but only if stray fields enter the housing, see ff. Chapter Field modulator.
  • the FM lets the permanently stored potential field energy of the PM's through its action (force effect as field quantum flux) or blocks it (similar to a camera shutter for photons from the sun).
  • the field modulator made of very good magnetically conductive soft magnetic material with a corresponding thickness s has an attractive effect on the PM's, the stronger the thicker - the large repulsion of the PM's becomes the equilibrium state with increasing thickness, and then further increasing thickness from the equilibrium state with the FM, into a strong one
  • the PM's cannot normally maintain a stable equilibrium unless the FM is positioned symmetrically to the PM's and the PM's are not are mechanically coupled via gears or crankshaft so that they cannot approach one side (unstable balance) without moving the other PM at the same time. From a certain thickness s etc., the balance tilts into a strong one
  • the thickness s, shape, material, internal structure, etc. of the FM thus regulate the equilibrium state of the mechanically symmetrically coupled PM's by means of a non-linear tilting function. This is the basic principle of a passive FM.
  • FM for example in the permeability induction curve, or in the temperature * induction * curve (switching the effect from ferromagnetic to paramagnetic at Curie temperature Tc), from "transparent” - "OPEN” (non-conductive ), according to ⁇
  • the SM can also be switched from superconducting to normal conducting by a temperature gradient.
  • Her kinematic FM moves in the transverse direction preferably on an equipotential surface, i.e. across the magnetic preferred direction of the PM fields and across the longitudinal direction of the (generally inhomogeneous) force fields in the equilibrium state at TDC. Potential energy would be required or gained with longitudinal movement of the FM, so that with kinematic-oscillating FM - due to the equilibrium state PM-FM-PM and high magnetic conductivity in the FM - very little energy is consumed ⁇ ratio longitudinal force-distance -Integral (PM work) to transverse force-displacement integral (FM work). ⁇ The work difference is very large (Fig. 19) and falls in favor of
  • FM movement with E ⁇ O ays, sequence You can move transversely almost without power via FM (also note ferrimagnetic material without induced eddy currents; in the case of electrical conductors, the Lorentz force is prevented by an anti-eddy current principle).
  • the FM only switches the effect of the force field, i.e. the
  • the magnetic preferred direction can be improved, for example, by means of sheet metal with a soft magnetic orientation or by a material with strong crystal anisotropy, for example with a hexagonal structure.
  • the FM can therefore a magn.
  • Preferential direction in the direction of the magnetic field lines i.e. from the PM + pole to the PM pole of one and the same PM.
  • the force-displacement characteristic (work) differs depending on whether the FM movement takes place parallel in the field and pole direction or perpendicular to it, i.e. on an equipotential surface, and whether the sheet is grain-oriented or not (usually the grain direction is parallel to the rolling direction ) (Fig. 20).
  • Active field modulator is supplemented passive FM fundamental principle is an active FM principle regardless of whether a kinematic or stationary FM used ⁇ .
  • the decisive factor is that static and / or dynamic forces have to be compensated for - if they occur in a disturbing manner, which generally means the induced Lorentz forces, but also magnetically transverse forces if they occur during the movement of the FM.
  • An active FM can also be used to reduce the FM thickness, since the soft magnetic FM St ⁇ ff has a reinforcing effect in an FM coil.
  • Basic principle of FM static balance with soft magnetic material with FM thickness
  • anti-eddy current principles can be applied ( ⁇ point 3).
  • Dynamic compensation of the negative force (repulsion) from eddy current, magnetic reversal and spin relaxation effects a) dynamically adapted, kinematically moving, attracting soft magnetic lamellae, change the FM thickness s dynamically with frequency b) by magnetic attracting Preload with constant auxiliary PM constant field c) through dynamically variable attractive active auxiliary fields with soft magnetic core, see ff. 4.
  • Electrodynamic field FM as a replacement for the soft magnetic FM with thickness s (worst efficiency, since no reinforcement by soft magnetic material). All variants are fully controllable from the states "transparent" with ⁇ x «1 to
  • the PS works the other way round like the FM:
  • the "pole piece” (PS) consists of several flux guide pieces.
  • FIGS. And texts show that, due to the construction by FM flow diversion, an attraction principle with an attracting soft magnetic counter PM instead of a repelling counter PM can also be realized according to the invention.
  • the magnetic field is led out by the highly conductive, switchable FMs, which are in balance between attraction (FM) and repulsion (PM's), so that the soft magnetic piston closes the magnetic circuit: principle of attraction by 2 FM's.
  • FM attraction
  • PM's repulsion
  • Consequence The FM's conduct the magnetic flux without physical Contact (very small air gap) to the piston crown / yoke; the air gap is much smaller than the FM thickness.
  • CLOSED means: ferromagnetic attractive exchange interaction (spin coupling) effective ( ⁇ FM switched on).
  • River quanta are not diverted in their flow, i.e. they act as a repulsive field in the direction of the anti-parallel oriented counter-PM, i.e. FM with a non-shielding effect.
  • "OPEN” means: Ferro- / ferrimagnetic attractive exchange interaction (spin couplings) ineffective ( ⁇ FM switched off).
  • the invention includes a system based on various FM principles.
  • the compensation or elimination of induced eddy currents with anti-Lorentz force and anti-Lenz force are guaranteed by special designs and working principles.
  • the inventions apply to ferromagnetic, ferrimagnetic and analogously to ferroelectric and ferrielectric materials.
  • Ferrimagnetic substances have a very high spec. elec. Resistance, however the energy density is much lower than with ferromagnetic materials.
  • the ferro-dielectric materials PE
  • PM ferromagnetic materials
  • Ratio of transverse x characteristic to transverse y characteristic for translation of the FM vertical vs. parallel to the field lines.
  • field lines lie in the direction of the displacement ⁇ force in the direction of the field vector + ⁇ -, when shifting perpendicular to the field lines, the field lines / field vectors are cut transversely - + almost forceless displacement, similar to the homogeneous field, here on an equipotential surface.
  • a magnet matrix
  • the FM acts like a PE with a sign of the same name (attractive) or like a non-magnetized plate
  • the functional principles of the M-FM are based on that of
  • the field modulator is a dimagnetic or dielectric for fields and not for electrons, creating an equilibrium state.
  • ferrimagnetic substances contain hardly any electrons and are therefore practically non-conductive.
  • the core principle of the FKG can be better understood - without eddy current influences.
  • the magnetic-transverse force effect (attraction of the FM) must also be compensated for in the case of transverse movement parallel to the preferred magnetic direction of the PM field; with vertical movement (on the equipotential surface) this is hardly necessary.
  • Ferrimagnetic material with very high spec. el. resistance are used, which allows practically no induced eddy currents and therefore practically no Lorentz forces even at high frequencies. Only when using metallic magnetic field conductors in operation with
  • a dynamic FM must compensate for this frequency-dependent counterforce in a frequency-dependent manner, or move the conduction electrons out of the magnetic field's field of influence so that a dynamic equilibrium is created.
  • the PM piston When adjusting the FM thickness s to increase the attraction of the FM as compensation against eddy current repulsion, care must be taken that the TDC point shifts. Therefore, the PM piston must be readjusted by a) kink-connecting rod or b) integrated control on the connecting rod length variator with - ⁇ H.
  • the Lorenz force effects arise when: a) in the closed state of the FM due to the PM movement UT- ⁇ OT, b) when the FM moves with transverse cutting of the longitudinal field lines between the PM's.
  • FM "OPEN" 5 magnetic flux in e.g. Air (magn. Isolator) ⁇ high field strength between the PM's, small capacity
  • FM “CLOSE” magnetic flux in the FM (magnetic conductor). ⁇ small field strength between the PM's, high capacity
  • the shielding factor of the housing drops with increasing frequency. in contrast to completely closed umbrellas (closed geometry) where it increases exponentially.
  • the shielding factor means the field of repulsion of the housing due to induced eddy currents in the shielding layer.
  • the passive FM has no active longitudinally attractive auxiliary fields / forces other than itself; preferably with ferrites (Fig. 28).
  • the passive FM can be supplemented with an active FM in order to compensate repulsive eddy current forces etc. or to make the FM thinner in thickness so that the PMs can come closer together.
  • the active auxiliary fields must also in connection with the
  • Outline FM (Fig.29.2) Passive permanent magnet FM or active E magnet FM.
  • Comb FM may have more attraction because more soft magnetic material comes into effect and the PMs can still get very close (contact ⁇ 100% power yield).
  • the operating point A3 of the magnetization characteristic for soft magnetic material with geometry-dependent magnetization factor N at - (BH) m a ⁇ is decisive, analogous to the demagnetization factor for permanent magnets.
  • the working point A 3 of the soft magnetic FM plate is at - (BH) max . 2.3 Active FM
  • A. ⁇ Auxiliary magnetic fields Active FMs to actively enhance the effect with an auxiliary magnetic field. 1. Longitudinal direction Thinner FM layer with the consequence of a higher repulsive effect at PM position in the normal equilibrium distance ⁇ strengthening of the attraction by an attractive auxiliary field. 2. Transversal direction attraction by the PM's on ferro- / ferrimagnetic material with magnetic field parallel to the FM movement ⁇ reinforcement of the repulsion as compensation of the transverse attraction by repulsive auxiliary field.
  • Longitudinal force compensation Repelling eddy current forces (Lenz rule) when FM closed and movement PM UT ⁇ OT.
  • the active FM consists of the fact that it can control the strength of its longitudinal attraction in order to maintain the balance dynamically (despite eddy current repulsion due to the conduction electrons in the FM). 2.
  • Transversal force compensation Also the transverse effect of the repulsion by eddy currents (braking effect); can be controlled dynamically.
  • the compensation can be implemented e.g. B. by active magnetic auxiliary fields (Fig. 30)
  • the magnetization can be bistable because then the field force is maintained without constant external energy supply during the movement of the PMs from UT to OT.
  • Structure eg coil
  • the magnetization is carried out by a single jump (Z loop), which results in a high voltage pulse.
  • the active FM can be coupled (and / or) with: a) the kinematic-passive FM, in order to be able to change effects / compensations dynamically. b) soft magnetic double-room shielding housing (magnetic shunt, open / closed geometry in time) without kinematic movement.
  • Conductivity ⁇ ⁇ min / Bmax min.
  • Conductivity, or ⁇ i / B m in min.
  • Anisotropy FM Change magnetic preferred direction a) Change crystal anisotropy / change grain orientation b) Stress-induced anisotropy - reverse magnetostriction mech. Voltage changes permeability (Villar effect)
  • Hard Magn. Induction FM magnetic toggle switch, or transient magnetic voltage ⁇ variable remanence B f
  • Induction current FM induced eddy current "On” / "Off” generated in e.g. AL / Cu layer
  • Limit frequency FM switching by operating below / above the limit frequency
  • ParaFerro- / Ferri-FM Ferro- / Ferri-front migration Coupling layer or barrier layer travels through the FM, but without temperature change ⁇ actively change atomic distance
  • M-tunnel FM switching magnetic tunnel current
  • Magnetic voltage ⁇ tunneling / tunneling not possible S m l m
  • the field of the anti-parallel PM's is strongly deformed in the FM due to the high conductivity of the substance in relation to the flux density B (FIG. 32). This has an impact on the spin moments of the domains (Weiss districts) from statistically distributed / disordered / paramagnetic effects in directional order with regard to the antiparallel PM field lines in FM (high
  • Fig. 33 General principles of the field modulator Modulation of the ferro- / ferrimagnetic static field by: A) Kinematic switch with passive and / or active element; passive: blocks the PM field, active: counterforce (compensation) due to an attracting magnetic field. B) Bistable Tc permeability switch due to temperature difference at the Curie point (Tc).
  • Temperature T c removes the spin coupling: FM switches from “ferromagnetic” to “paramagnetic” effect by changing the temperature to T c .
  • the FM can be built up using layer technology with integrated Peltier elements.
  • the layers are very thin so that you can quickly switch between the ferro-para-ferro state. Switching temperature Tc ⁇ 30 ° C. The saturation induction with these materials is not very high (B & 0.5 T).
  • Counter magnets can be dispensed with (weight saving).
  • the principles as already described for kinematic FM can also be applied here.
  • the shielding effect repulsive effect in the case of alternating fields (increase in the shielding factor due to induced eddy currents) must be observed.
  • Ferro- / ferrimagnetic materials can also be used here, depending on the desired effect.
  • the shading takes place by longitudinal displacement of the PM's u ⁇ s ZUF plane of symmetry of the F with the same " lowering of the " local ⁇ effective flux density (strong decrease in the permeability-induction curve with increasing distance ⁇ s from the magnetic surface).
  • Pulse magnetization for high modulation B max (optimal: bistable magnetic field switch), note pulse permeability
  • a) Structure (e.g. coil) with pulse magnetization: Unipolar (one-sided) pulse magnetization with field strength stroke ⁇ fi and induction stroke ⁇ B (magnetization current only flows in one direction in one compared to the period very short time span pulse duration).
  • Pulse wire FM structure (eg integrated or external coil) with pulse wire - magnetization is carried out by a single jump (Z-loop), which results in a high voltage pulse.
  • Generation of high-energy current pulses - Pulse compression technology using magnetic switches - Rectangular loop material, preferably amorphous metals due to low dynamic magnetization losses
  • the spontaneously magnetized domains must be activated by active barrier layers - amorphous substances have no crystal grains but domains, because the barrier layer acts directly on the atomic layers without grain boundaries.
  • the FM switching processes should be bistable, since external energy can then be saved during the PM movement.
  • Magnetic / electrical tunnel effect field modulators (B / D field)
  • the elementary electric charge of the electron e (tunnel current) corresponds to the magnetic flux or current ⁇ in the case of the magnetic tunnel FM.
  • SIS Superconductor-insulator-superconductor contact
  • magnetic fields or electrical ones are used, but not as auxiliary fields to increase the attractive effect or to compensate for negative forces etc., but as a general basic principle for switching the FM:
  • the magnetic field or the applied magnetic voltage controls the transparency of the FM layer for the magnetic flux quanta, analogous to the electric field with electric voltage and electric flux quanta.
  • Fabric structure a) Superconducting fabric of the FM structure (with open geometry) without kinematic movement. b) Thin FM insulator layer Magnetic energy gap and M-type conductor current (flux quanta)
  • the energy gap is temperature dependent.
  • MGE Magnetic direct current effect
  • the magnetic tunnel current of flux quantum pairs through the SmlmSm contact is strongly dependent on the magnetic field: Because the field does not pass through the S m layer, it can be assumed that the B lies in the Im insulating layer. Whenever the magnetic flux ⁇ m through the magnetic insulating layer is an integral multiple of the magnetic flux quantum, the magnetic tunnel current of the flux quanta goes through zero.
  • Suprale ⁇ ter-FM Magnetic / electrical supra-field modulators (B- / D-field) S m lmS m -contact with magnets or electrets and thick I-layer: ⁇ magnetic S m l m Sm-contact for magnetic flux quanta. M. ⁇ electrical S e l e S e contact for electrical flux quanta ⁇ e .
  • Eddy currents only occur if there are conduction electrons in the material, i.e. if the spec. el. resistance is small; e.g. it is high for ferrites, which is why practically no vortex currents can be generated in ferrites.
  • Eddy currents arise especially in electrically conductive massive metals through an alternating magnetic field a) the PM's approach the closed FM ⁇ Lenz rule from UT ⁇ OT), or b) by moving a metal in a magnetic field: the FM moves transversely in the state of equilibrium PM's - with field effects neutralizing each other in the plane of symmetry of the PM's PM-FM-PM - the FM moves transversely either parallel or perpendicular to the field lines.
  • the FM disc In order to effectively reduce the eddy current in the FM, slots are made in the FM disc perpendicular to the FM movement, i.e. perpendicular to the eddy current.
  • the FM disc is made up of soft magnetic layers (lamella sheets) that are arranged parallel to the FM movement and slit with an offset.
  • the soft magnetic layers with different permeability can be optimized so that the FM thickness s is minimized (thin FM layer).
  • the slots or separating layers in the laminations interrupt the path of the eddy currents, which therefore can hardly be formed.
  • a large cross-section in the FM disc offers only little resistance to the eddy currents.
  • Alternative eddy current separation structure a) Dense spherical packing made of soft magnetic domains, embedded in an electrical insulation layer - like a powder metallurgical substance. b) Cubic microstructure, produced by sputtering, vapor deposition, galvanically or mechanically separated by laser beam, etc.
  • an electrically highly conductive layer can be used, particularly in the case of the two-room shielding housings.
  • the electrical anti-eddy current principle starts with the eddy currents, i.e. on the free negative charges in the metallic conductor, i.e. the line electrons.
  • the FM is positioned within an electrical field.
  • the electrical field is generated by a high-voltage source or, if it is sufficient from the level of the voltage, by a permanent field of a ferroelectric substance (electret) for charge separation.
  • Influence creates a neutral zone in the central area that is free of electrical charges, the conduction electrons (electron gas). This neutral area is penetrated by the magnetic fields of the anti-parallel oriented PM's. Since there are no conduction electrons in this B field, a longitudinal force (attraction / repulsion) according to the Lenz rule can hardly occur, especially when the PMs are oriented in a parallel and not in an antiparallel spin position. Since positive charge means "stationary ion grid without conduction electrons", the PM could also be positioned in the area of the positive charge - there are no eddy currents due to the lack of conduction electrons in this area, because the eddy current is created by the movement of electrons. The conduction electrons sit on the outer surface of the FM or the lamination plates in the negative area.
  • the size of the amount of electricity affected depends on the strength of the influential field as well as the shape and size of the FM.
  • the influenced electrons collect in a) a metallic funnel with a tip, so that they are continuously grounded with a knife edge opposite the tip - along the oscillation path of the FM - grounded by contactless transfer with complete charge separation, or in a Leiden bottle as a high-voltage capacitor for energy storage, or in a capacitor - depending on the height of the span.
  • a metallic funnel with a tip so that they are continuously grounded with a knife edge opposite the tip - along the oscillation path of the FM - grounded by contactless transfer with complete charge separation, or in a Leiden bottle as a high-voltage capacitor for energy storage, or in a capacitor - depending on the height of the span.
  • a funnel there is a boundary surface of the FM parallel to the direction of oscillation, then instead of one, many needles or many knives can be used to transfer the charge (parallel connection).
  • the line electrons can hardly generate eddy currents with an induced magnetic field when moving the FM, since they are firstly in a funnel in which the acceleration path is narrowed (without a funnel with a parallel boundary plane, the line electrons can accelerate and decelerate freely in the metal secondly, they are largely removed from the track by means of charge separation.
  • the inhomogeneous field so that the two force vectors of the Lorentz force on the circular current, i.e. the greater force at the front and the smaller force at the end of the FM are the same ⁇ symmetry, i.e. braking and acceleration cancel each other out.
  • This means a field characteristic in the transverse direction stronger field outside than inside.
  • ⁇ FM rotation instead of oscillation due to asymmetrical profile.
  • the web thickness of the lamella sheets can also be designed as a profile in such a way that the eddy currents braking locally in the web at the front edge of the web - due to a wedge profile - are relatively much smaller than the now more strongly accelerating eddy currents at the thicker wedge end of the web because the eddy currents can develop more strongly in voluminously more conductive material.
  • the profile and thus the thickness function regulates the ratio of braking to acceleration force.
  • - ⁇ FM rotation instead of oscillation, due to asymmetrical profile.
  • the construction in relation to the eddy current ring corresponds to a rectangular gradient conductor loop in which the opposite sides (front - end) of this rectangular loop form a pair of current elements with opposite current directions - the eddy currents must be equal when compensating for equilibrium.
  • the effect of the compensation construction is as if the conductor loop were moved in a homogeneous field (without a field gradient): the force effects of the eddy current branches are equally strong - despite the vector potential difference.
  • the construction of the conductor loop with the above anti-eddy current principle can also be applied at an angle 9 to the z axis, for example also in the normal direction; a different vector potential function B r (&) with a different potential difference (voltage) for the front and end must be taken into account.
  • Anti-Lenz principle normal force equilibrium In eddy conductor loops lying one behind the other, induced eddy current rings are created in the same direction of rotation, which can also be compensated. In the conductor loops (FM sheets) arranged one after the other in the normal direction, the direction of the induced eddy currents and their magnetic fields, which counteract the cause of induction, is the same, therefore the following variants according to the invention can be used to compensate them: 1. Oppositely directed currents with positive charge: a) Negative charge carriers in the outer or inner conductor loop and b) positive charge carrier type in the inner or outer conductor loop. The positive currents arise from positive charge or positive charge carriers. Variants with positive charge carriers ( ⁇ unipolar currents) 2.
  • a magnetic shield dimagnetic can be used between the negative and positive conductor loops, so that only the compensation effect, relative to the inducing primary magnetic field, which determines the direction of the induced currents and Lenz forces generated, comes into effect.
  • Direction-dependent shielding can also be used in the event that only the field direction PM ⁇ conductor loops, but not the reverse field direction conductor loops ⁇ PM, is desired for induction and current transport, because these generate the bilge forces.
  • the parallel conductors can be designed as a conductor loop: a) current return branch outside the primary magnetic field, or b) shielding of the induced magnetic field of the current return branch inside the primary field region, for example with soft ferrites.
  • Negative and positive conductor loops (L) Compensation of negative swirl field with positive swirl field in relation to the PM field.
  • Magnetic direction-dependent shielding (A) / translucency between the conductor loops and the PM a) Magnetic field semiconductor diode layer between PM and negative (N e ) and / or positive (P ⁇ ) conductor loop. Flow quanta only from PM towards conductor loops ⁇ induced fields in L do not affect the PM. ( ⁇ Magnetronics and) b) Magnetic mirror with periodic magnetic refractive index modulation between PM and L. c) Magnetic resonator (magnetic interferometer) with magnetically coherent flow between PM and L (the magnetic mirror surfaces must match the curvature of the magnetic field, ie the curved wavefronts of the magnetic beam B r (.9) must be exactly matched).
  • a ring voltage is induced with an eddy current ring in the loop due to the temporally changing and inhomogeneous B field, which again an instinctively inhomogeneous on the branches of the loop with different B-amount Magnetic field generated with a magnetic moment.
  • the direction of B is the direction of the magnetic flux. If the magnetic field lines are inclined at an angle ⁇ to the surface normal, only the flux density perpendicular to the surface B cos ⁇ is decisive.
  • the force F on a current-carrying conductor of length I in a magnetic field B acts perpendicular to the surface that is spanned by the vectors I and B.
  • the Lorentz force is maximum when v and B are perpendicular to each other and zero when the charge carriers move in the direction of the magnetic field.
  • ⁇ 0 °
  • the field lines of the current-carrying conductor which run in the mathematically negative sense, overlap with the field lines of the magnet running from the north to the south pole.
  • the resulting field has a field line ver // c /? Insert on the left and a field line / er ⁇ / n / wng / on the right.
  • a force acts on the conductor in the direction of the dilution (to the right) (Lorentz force). With field lines circulating in a positive sense, the field thinning occurs on the left side; in this case the Lorentz force acts to the left.
  • the conductor loop can preferably be composed of many parallel individual
  • these aforementioned principles can be applied analogously to all fields that are inhomogeneous in the transverse and normal directions.
  • a potential field as an X field
  • a transverse profile is also available for a vortex field (e.g. radial speed or force change, see Lorentz force, Coriolis force, etc.)
  • Consequence formation of vortices by electromagnetic friction on the atoms, ions, molecules, with the consequence of an X or Z profile.
  • Vortex field (eddy current ring I) drives the PM-Feid flow / field flow ⁇ (the flux quanta ⁇ o) the circulation constantly.
  • Z a potential field or potential flow there, i.e. in such a way.
  • Z 2 ⁇ rv.
  • the field strength (E, D, H, B) alternatively described as acceleration (such as the gravitational field strength g) and the
  • Vortex field An inhomogeneous field (e.g. flow or magnetic field etc.) always contains vortices, because the rotation begins where the potential (e.g. velocity potential v or magnetic potential B r (3), etc.) is transverse to its own direction changes. So for: cross-force profile or cross-magnetic field profile or cross-speed profile, or generalized cross-X or
  • a transverse profile is also available for a vortex field (e.g. radial speed or force change * see Lorentz force, Coriolis force, etc.)
  • Vortex field (eddy current ring I) drives the PM field flow / field flow ⁇ (the flux quanta ⁇ o) the circulation constantly.
  • the circulation is Z- ⁇ v ds ⁇ O.
  • Z a potential field or potential flow there, i.e. in such a way.
  • Z 2 ⁇ rrv.
  • the field strength (E, D, H, B) alternatively described as acceleration (such as the gravitational field strength g) and the
  • a laminar boundary layer first forms in the front part of the field streamlined body. In this area the flow quanta are accelerated. With further field flow along the FKM field body, the field Flow pressure, so that due to the now beginning deceleration of the flowing river quanta, a field vortex formation begins.
  • a laminar boundary layer creates a turbulent field flow (laminar lower layer, turbulent upper layer).
  • This force FA (direction of the convex side) is opposed to the Lorentz force F (direction of the concave side) if the direction of circulation of the field flow is oriented in the same sense as the direction of circulation of the magnetic field:
  • F direction of the concave side
  • On the concave side we get: -FA, ⁇ ⁇ ⁇ V ⁇ p FA can be used to compensate for F L.
  • the repelling Lenz force of the magnetic field induced in the conductor can also be exerted on the inducing one by a circulation of the field flow opposing the magnetic induction circulation Magnetic field of the PM can be compensated; in this case the convex side of the field body points towards the Lorentz force.
  • the direction of "circulation" of the field flow is determined by the direction of the convex side to the magnetic field flux ⁇ .
  • Electromagnetic wing The elongated teardrop shape of the field-body profile ("wing") greatly reduces the field inflow resistance ⁇ At the same time, however, the curvature of the field body with the sharp rear edge hinders the field vortex of the pair of field vortexes running "to the left” considerably more than the other and compels him to tear it down. The right field vortex gets stuck and overlaps the incoming potential flow. Exactly the same effect occurs in other inhomogeneous potential and vortex fields.
  • Step 5 increase electrical resistance
  • E-Influence is complemented by B-Influence; the electrons or the charges must be on the same side
  • the B field neutralizes itself in the plane of symmetry; on the FM surfaces facing PM, the charge is reversely influenced (different in the direction of the B field).
  • E-Influence is complemented by B-Influence; the electrons or the charges must be on the same side
  • the magnetostatic field drives the charge with the force F q generated by the induction voltage Ejnd when the conductor moves to the right and to the center (see reverse flow direction of the B field of the respective magnetic poles) if it is not prevented by sheet metal insulation.
  • the electrostatic field also drives the electrons to the center (see arrangement of the E-plus poles), so that they concentrate on the right at the E-minus pole (if they are not prevented by the longitudinal laminated sheet separation with an insulation layer), then the charge transfer in in the middle.
  • Crossed electrical and magnetic influence (Fig. 41). 1.
  • the electrostatic Fe ⁇ d drives the charge down before the conductor moves and outside the B field in the web; the webs are separated by slots (power interruption) - there is an influence and a neutral zone. 2.
  • the B field can therefore - when the conductor moves - the e-charge with the force F q generated by the induction voltage E ir , d no longer towards the center (see reverse flow direction of the B field of the respective magnetic poles) and not after drive to the right if, apart from the neutral zone (generated by the E field), the charge carriers are prevented from doing so by a longitudinal separation of the lamella plates with an insulation layer (FIG. 42). The charge is then separated at the bottom of the E positive pole.
  • Variant a Flow of the electrons to the right to the E-positive pole is not possible due to the isolating separating layers, i.e.
  • Variant b If electrons are still present, they can only drift to the right with F q (induced influenza) if a through-connection in the sense of a conductor of length I has been made. These could then be removed in the middle of the FM by a charge transfer (FM is positively charged).
  • FM opens or closes ⁇ movement of the FM with its conductors. Magnetic field constant over time (stationary), position of the FM unsteady.
  • the influenced charge is understood as charge separation and transferred in a superimposed influential E field by means of a tip; the leader should be positively charged.
  • the FM sheet creates the transverse conductive flow between the poles of the anti-parallel PMs.
  • the transversal, thin (against eddy currents) FM sheets additionally (along with the thin sheet thickness and, if necessary, correction / crystal orientation, shape anisotropy) have a longitudinal anti-eddy current structure (gaps in the sheet metal lamellae).
  • the sheet metal combs (with gaps), which are layered alternately in the transverse direction, are functionally relevant. Ie the metal combs covering one another and in the projection the anti-eddy current columns, which in turn are vertical to the sheet metal plane, that is to say have an anti-eddy current column structure in the longitudinal direction, to be determined constructively.
  • the magnetically effective gap is smaller than the geometric one (flow not between the ground end faces of the central webs, but via a parallel path through the air)
  • the shape of the sheet determines the magnetization characteristic, for alloys with a preferred magnetic direction special shapes or layers are required (U and ED sheets with a broadened base)
  • the sheet metal orientations are exclusively parallel to the longitudinal direction, that is to say parallel to the flow to be bridged in the air gap and thus perpendicular to the eddy currents; the PS only cover the pole-to-pole connection between the different, anti-parallel, repulsive PM's.
  • the crystal isotropy / grain orientation and the magnetic very shape anisotropy are functionally relevant.
  • Transversal work compensation 7 isr.h ⁇ n negative work in the PM field plus positive work in the compensator field - ⁇ W f ⁇ O ⁇
  • the case of FM "closing" in the PM near field at OT does not occur.
  • the following compensation variants can be realized by coils with a reinforcing core.
  • the negative work required to operate the coil for generating the excitation field H a is required. Due to the reinforcing effect of the ferro core with high permeability on
  • K-transverse force-displacement characteristic can be set exactly like the PM-transverse force-displacement characteristic, as well as dynamically controlled in intensity and deactivated in the 3rd cycle.
  • Longitudinal field coil compensator The compensation can be carried out by two coils in an anti-parallel longitudinal arrangement (because of the symmetrical transverse component F t (s)) like the working magnets (PM's), the coils being formed by ferro field amplifiers (core).
  • the mass of the compensator is not accelerated / decelerated during the working magnet movement ⁇ lower magnet piston weight and less loss of kinetic energy.
  • the PM compensator With a stationary longitudinally acting PM compensator, the PM compensator remains at OT in the FM plane.
  • a longitudinal PM compensator With FM "Close" in UT, a longitudinal PM compensator generates a longitudinally repulsive force (NZ stands transversely to it) and transversely attractive force -F t (s) when the field is not deactivated.
  • NZ stands transversely to it
  • -F t transversely attractive force
  • Non-stationary, transversely acting PM compensator In the case of non-stationary, transversely acting PM compensator, this is oscillated with the working PMs in the respective magnet position, so that in the 3rd cycle with FM "closing" hardly any transverse and longitudinal loss forces (-F t ( s) ⁇ -W t or -F ⁇ (s) ⁇ -W ⁇ ) can act:
  • the compensator foot area on the FM is in the direction of the neutral zone NZ in the longitudinal direction of the PM movement. Therefore: compensator field with a short range and great force (NZ - neutral zone).
  • Variant C Bistable magnets (switching cores) Activate / deactivate compensation field by current pulse on magnetic switching core a) semi-hard magnetic materials b) pulse magnetization c) amorphous alloys with a rectangular loop
  • Transverse movement correspond to the PS (functionally adapted compensation field strength).
  • S-Pole is used 1/2 offset to compensate for 1/2 N-Pole.
  • Flux density amplitudes B are covariant and are not opposite or not identical ⁇ force-displacement characteristic oriented in the same direction, otherwise asymmetry in the momentary compensation during the FM movement.
  • This magnetic form has the advantage over the round disc magnet that a preferred magnetic direction can be set in which the FM moves either parallel or perpendicular to the field / field lines.
  • the FM / PS is thus switched in the potential field (parallel to the field lines in the x direction) or perpendicular to it on an equipotential surface (in the y direction) - the transverse forces are very different.
  • the U-shaped magnet as opposed to the circular disk magnet in which the field lines are polar un 'is not oriented orthogonally.
  • 1.2.1 FM has an optimized thickness that creates a balance between the repelling PMs, so that the path 2 UT ⁇ OT with closed FM without work W
  • the force-displacement characteristic is - due to the longitudinal FM distance - strongly asymmetrical at the PM edge: the work Wtn is not in balance with W t - ⁇ 2 consequence: toggle switch effect; the steeper the force-displacement function at the PM edge, the better the non-linearity of the switching effect.
  • This toggle switching effect is only available with a rectangular magnet, with a round magnet a sine function is part of the switching function, since the FM is opened / closed in a circular arc and in the direction of the field.
  • Fig. 64 Conical form fit
  • F ⁇ (h) surface curvature / shape a) analytically defined surface shape (45 °, V W-shape, ball, etc.) to increase the load-bearing component b) due to the magnetic refractive index, the field lines are placed in the normal direction with a suitable surface shape
  • F 2 ( h) grain orientation with inhomogeneous field generated: focus, flux concentration outside the pole face
  • the FM becomes thinner and shorter in length because an external stray field is only weakly present (is almost prevented by the flux plates (FP) as a conclusion).
  • Consequence attraction of the PMs before the FM in the 4th bar.
  • transverse force-displacement characteristic intersects the transverse axis at a large angle ⁇ no equilibrium when the FM moves transversely.
  • 2nd solution Power amplifier 2nd as 1, but additionally with a very steep increase in power over a very short distance only at the edge of the PM when the FM is in the open-closed position ⁇ very fast, non-linear open-close oscillation of the FM is possible. Consequence: non-linear switching function despite equilibrium over a long distance along the transverse path when opening the FM.
  • the PM edge as an anti-transverse force function determines the transverse force-displacement characteristic of the FM (compensation if necessary with integration of a non-linear switching function).
  • F / (B 2 ) -A / 2 ⁇ o instead of area difference at the PM edge, B variation and / or r-strip in FPs 3.4 iniine compensator variants
  • 1-dl ⁇ l ds differential current conductor (PM) piece generates field dH or ⁇ H, dB or ⁇ B through the substance. This field can be broken down into components parallel and perpendicular to the axis ⁇ Biot-Savart law.
  • pole shoes have the task of bridging the air gap that results from pulling out the field modulator in order to significantly increase the magnetic force a) between 2 pole shoes, one coupled to the PM, or b) by means of 1 pole shoe, coupled to the FM , 1.
  • Magnetic anisotropy can be used in different ways, here two cases:
  • Crystal anisotropy (orientation dependence of the polarization with respect to the crystal axis)
  • the ansisotropy field strength H A is the field strength to turn the magnetization from the easy preferred direction in the direction of the hardest magnetizability.
  • the tangential flux density component depends on the field strength. From a certain field strength, the axial and radial components are the same size. In the cases mentioned, pole shoe disks occur in which the magnetic flux (MV) preferably runs in the axial direction of the PS disk and transversely thereto the PS disk is difficult to magnetize, with the result that the tangential leakage flux is also minimized.
  • Anisotropic PS interface / air gap (Fig. 74) Combination of anisotropy with demagnetization factor
  • the direction-dependent anisotropy conductivity and the demagnetization factor N can be used cumulatively in the design of the PS and FM as a field modulator switch
  • the PS is not a one-piece plate, but must:
  • Solution 1 Be composed of many "long” and thin square bars in a tight grid packing (like a checkerboard pattern); the length of the rod corresponds to the thickness of the pole piece, the cross-sectional dimension of the rod should be selected so that N ⁇ O goes in the longitudinal direction of the rod.
  • Advantage Reduction of the eddy currents to rod eddy currents if these are insulated by a dielectric layer.
  • Solution 2 Many parallel axial stripes (lines).
  • Solution 3 Cut the disk from the tape core, tape made of thin film with an anisotropic material.
  • Shape anisotropy cases (as a replacement model for crystal, magnetic field induced and
  • the pole pieces can be constructed as in the principle of a multi-channel plate.
  • the PS plates can be designed as "single", "chevron” or as a Z-stack. Effectiveness of the PS and FB / S
  • M-field modulator design Stationary FM
  • the M-FET can only be switched on and off by means of a transverse field, without kinematic shifting of the FM r " 15. 2.
  • Kinematic FM With kinematic FM it makes sense to have a low conductivity in the direction of movement (due to attraction by the PM's) and perpendicular to it 20 (with an anisotropic field) the high conductivity and constant flux density (apart from the compensation function), so that here the function of the FM in all areas lies at the working point A 3 / point B2.
  • Field modulator as M-transistor switch 25 M-transistors as switches have two switching states: They work in the magn.
  • the controlling auxiliary field H a2 acts maximally and with the least energy expenditure, so that the FM can become even thinner than that passive FM variant (without active auxiliary field).
  • the force must be different ( ⁇ comparison of magnet systems Fig. 83).
  • the component decomposition of the field line / field strength / flux density / force of the vector potential is carried out in B r B $ with a polar angle (FIG. 84).
  • the component is defined in the orthogonal coordinate system along the y axis.
  • the compensation field is also effective in the longitudinal stroke direction, note neutral zone NZ.
  • Amplifier cascade (Fig. 89, 90, 91) Item Designation / function
  • PM Permanent magnet
  • PE permanent electret
  • SM super conductor magnet
  • Demagnetization factor N 1 (thin plate) with coercive field of equal strength due to anti-parallel PM
  • Demagnetization factor N 1 (thin plate) with coercive field of equal strength due to an parallel parallel PM 1.3 Rectangular disc magnet (AP) (Fig. 94)
  • Demagnetization factor N 1 (thin plate) with equally strong coercive field due to antiparatielen PM
  • R m mean radius R a outer radius
  • Diagonal system (Fig. 107) a) Orthogonal field flow b) Diagonal field flow ⁇ larger pole spacing ⁇ large stroke
  • Variant A pole shoes not split in the middle (Fig. 113)
  • Variant B split PS (dimensions a, b see magnetic shape anisotropy with N (Flg. 11) 2.
  • Magnetization factor / demagnetization factor N Because of N, the magnetic properties of soft magnetic materials are shape-dependent: an FM long (rod) is easier to magnetize in the longitudinal direction than transverse to it, an FM short (thin plate) is tangential than perpendicular to the plane of the plate.
  • Coil arrangement core K at current I. FM states: 1. Neutral "off '0-N OPEN
  • Coil "on” NN pole reversed ON coil ⁇ gain a) Disadvantage: coil takes up space for multilayer PM ⁇ ⁇ F, large coil radius (-t formula), -. b) Advantage: space for many small coils, small I, smaller r ( ⁇ formula) ⁇ high effect at - ⁇ l. Switch point A 3 (Fig. 122)
  • Type 4b Induction field strength FM ⁇ Z b ⁇ small switching energy
  • the field force generator FKG can also be used as a "solid-state" machine, i.e. without moving parts, for the inductive generation of primary current: a) from a rapidly changing magnetic field (magnetostatic field in front of the FM - modulated by a stationary-active field modulator.
  • the basis of the unsteady magnetic field is the magnetostatic DC field modulated by the FM from the stationary potential field of a permanent magnet, or b) from a rapidly changing electret field (electrostatic field in front of the FM - modulated by a stationary active field modulator.
  • the basis of the unsteady electric field is the electrostatic constant field modulated by the FM from the stationary potential field of a person anent electrets, or c) as a) from a stationary Gieich field of a superconducting magnet, which is modulated by the stationary FM ⁇ unsteady magnetic field,
  • Fixed PMs can also be realized as solid-state FKG, stationary PM with a tightening PM piston, or repulsive PM piston.
  • Solid-state FKG variants Fixed PM's or PE's (Fig. 126)
  • Ratio of longitudinal to transverse force-displacement characteristic is still V> -1, despite the asymmetrical FM position
  • PM .. _ permanent magnet (SM, PE) Fe ferro- / ferrimagnetic G interface / transition Note: Adaptation to B 2 , H a2 for optimal switching / amplifier effect
  • PS pole shoe conduct FM-PS conductivity modulation / switching
  • the FM can be used as: 1. Kinematic FM a) passive (conductivity modulation) b) active (conductivity modulation and / or channel cross-section modulation) 2. stationary FM a) conductivity modulation analogue, eg M-BT b) channel cross-section modulation analogue M- FET are trained.
  • Kinematic FM a) passive (conductivity modulation) b) active (conductivity modulation and / or channel cross-section modulation) 2.
  • stationary FM a) conductivity modulation analogue, eg M-BT b) channel cross-section modulation analogue M- FET are trained.
  • shock waves are self-reflecting because of a) the coupled spin moments with spontaneously magnetized domains or b) the coupled magnetic PM moments; generated from the surface ring currents (longitudinal waves, possibly coupled with transverse waves with shear, bending and torsion).
  • kinematic FM In the case of kinematic FM, the thin FM layer is replaced by air, gas / vacuum when switching to "OPEN"; the interaction does not take place through the FM substance (kinematic FM).
  • a field force generator has various advantages.
  • the FM is opened, an imbalance arises from the rejection without FM attraction and it it creates positive work and entropy.
  • TDC top dead center
  • UT bottom dead center
  • the FM is closed so that the PM piston can move back from UT to OT without repulsion on a path W a 2 as part of a cycle.
  • the work W a is generated in a dissipative system, ie positive work with route W from ⁇ (OT ⁇ UT), no work with route W ab2 (UT ⁇ OT), ie
  • the work W 2u ⁇ " Open in OT and W ZU2 -" Closed "in UT is very small.
  • the kinematic FM can preferably be on a magnetic equipotential surface (perpendicular to the field) instead of parallel in the
  • the energy balance is thus garW from ⁇ - ⁇ W 2u ⁇ , where ⁇ W 2U ⁇ - because of the movement on an equipotential surface and because of the compensation of the work, very small.
  • the field force generator uses the conversion of permanent magnetic field energy between the magnets by switching the field effect - so the potential energy of the permanent magnets is converted into kinetic energy.
  • 2nd cycle work cycle with magnetic repulsive force F,)
  • PMi and PM 2 move from OT (90 ° KW) m towards UT (180 ° KW) and deliver work W 2 to the crankshaft.
  • WiFM A uf JF (s t ) ⁇ s
  • WIP S Z U JF (st) ⁇ s
  • work can also be compensated for
  • the position of the two magnets PMi and PM 2 must be fixed at the moment ( ⁇ connecting rod length variator) while the field modulator is in position
  • V ratio Note: FM or PS compensation in the cycle.
  • the 4 bars of the working game are:
  • the work space is largest when the PM is in UT and smallest when it is in OT.
  • Total field displacement V H It results from the sum of the displacements of the individual magnetic cylinders of an FK generator / motor.
  • the pressure curve of a force field is determined by the force-displacement characteristic of the magnets (Fig. 134):
  • the pressure curve during combustion has its maximum pressure at the highest temperature between 6 ° and 12 ° crankshaft after TDC (Fig. 135):
  • the area in the diagram (Fig. 136) with the corners 1-2-3-4 represents the work gained during a work cycle.
  • the increased time can be increased by increasing the compression ratio.
  • the work gained could be greater if the FM did not close in point 4, but only after the field had reached
  • Output pressure in point 5 has relaxed (magnets should have a stroke h ⁇ ⁇ ). In practice, however, this is not possible because the extension of the field expansion is connected with the increase in the stroke (long stroke motor). The area 1-4-5 thus results in the lost work.
  • Compression space FM air gap d or interface G between the pole pieces PS
  • Working cycle can be done with a piezo-electric indicator on the
  • the FK generators are equipped with adjustable opening / closing cams.
  • the opening and closing angles of the FM can be changed by a certain adjustment angle (variable timing: if necessary, open the FM later or close it earlier).
  • the control angles of the individual FK generators differ from each other, so that there is a separate control diagram for each FK generator. As a rule, the higher the angle from the opening to the closing of the FM, the larger the angle
  • Magnetic cylinder numbering FM opening sequences
  • Magnetic cylinder numbering The designation of the individual magnetic cylinders of a (combustion)
  • Magnet cylinders of an FK generator follow one another.
  • FM open
  • FM opening distance 360 ° KW / number of cylinders
  • field semiconductor modulators belong to the field of
  • Magnetronics complements the field force generator ("generation of energy") because the technology of the magnetronics components reduces energy consumption.
  • a field force generator, field force motor and connecting rod length variator can be integrated on a chip.
  • Magnetronics is a completely new technology and discipline in electromagnetic R&D, production, marketing and application. Since fields cause forces and the field flows are directed, separated, regulated, amplified or switched etc., all field semiconductor components belong to "field force machines" according to the invention, even if the field forces / flows of the field sources are primarily not for generating work, but only for modulation,
  • the M-conductors, M-semiconductors and M-insulators are divided into magnetics and dimagnetics, whereby all crystalline and amorphous substances belong to the Ferro group (including Ferri): Fe, Co, Ni and the lathanoids Gd, Tb, Dy, Ho, he.
  • the decisive factor for ferromagnetism is the relative atomic distance - regardless of whether it is crystalline or amorphous substances.
  • Ferromagnetism therefore also shows substances such as MnCu 2 AI, Cu 2 MnSn, MnBi.
  • Magnetons and quanta magnetrons
  • a) Magnetic flux quanta ⁇ o as energy field quanta of magn. Field ( quantum, are also called photons).
  • Magnetic semiconductors are e.g. Cobalt and or dysprosium, which are linked to foreign atoms, e.g. Co + Ni or Co + Fe, are doped.
  • the co-semiconductor crystal behaves analogously to the electrical case, e.g. Silicon: The bonds between the valence electrons (3d) are undisturbed, only the foreign atoms and an external magnetic field as well as heat bring the decisive behavior.
  • M-components such as M-diodes, M-transistors and M-thyristors etc. for the Lefstungsmagn ⁇ etronik (e.g.
  • Magnetronics / magnetic field semiconductor devices & M / E semiconductor field modulators open up new areas of application:
  • Conduction band now magnetic flux quanta in magn. Conduction band used.
  • magnetrons coupled to the electrons and electron holes.
  • a base crystal e.g. Cobalt or dysprosium can be used.
  • the highly pure co-crystal can be doped with nickel, for example.
  • a Dy crystal can also be doped, for example, with holmium or with erebium.
  • Consequence Magnetically negative semiconductor N m .
  • co-crystal is doped with Fe.
  • Dy crystal doped with terbium or gadolinium.
  • magnetically positive semiconductor P m The doping of, for example, cobalt or dimagnetic eg Fe0 2 or CoO 4 with lathanoids is possible.
  • Magnetons ( ⁇ " ) or with magnetron holes based on magneton holes (UB + ), analogous to the electronic principle with N e and P e , are created in the magnetic system N m or P semiconductors.
  • Magnetic semiconductor components or electrical field semiconductor devices
  • Magnetic components are e.g. M diodes, M bipolar transistors
  • M-BT M-field effect transistors
  • M-thyristors M-thyristors
  • Circuits are converted analogously into magnetic circuits (magn. Voltage, magn. Flux).
  • Magnetic bipolar transistors are switched at the operating point.
  • M-BT and M-FET can also be designed as magnetic amplifiers.
  • magn Field across the channel
  • the flow control (conductivity or cross-sectional modulation) takes place in a magnetically conductive material.
  • Magnetronics replaces the magnetically conductive material with magnetically semiconducting material.
  • Magnetic semi-conductor field modulators can be used in the field force generator.
  • the magnetic circle is the space in which the magnetic field as a whole spreads.
  • the quantities of magnetic flux ⁇ and flooding ⁇ which are characteristic of the magnetic circuit are closely related and correspond to the conditions in the electrical circuit.
  • the magnetons (M ⁇ ) and magneton holes (M + ) in the M semiconductor do not migrate (they are stationary in the atomic lattice on the inner unfilled ones
  • E-insulators E-insulators M-insulators - M-insulators in a magnetic field in an electric field
  • Field conductivity Field conductivity.
  • Non-conductor ⁇ r always ⁇ 1, Xe 0 ⁇ r always ⁇ 1, ⁇ m 0 ( ⁇ 4-302, 12-70) - diaelectric substances (repulsion) - diamagnetic substances (repulsion) ⁇ r ⁇ 1, Xm ⁇ 0
  • Electron missing in the atom hole from outer shells ( ⁇ valence / conduction electron hole) (acts like positive charge e + )
  • M particles - Bohr's magneton ⁇ e ⁇ (for e-) and ⁇ s + (for e + ) Magneton number unit of measurement for the sum of the local elementary magnets (the electron spin moments) ⁇ number of magnetically active electrons of the magnetically uncompensated inner electron shell per atom. These are only a necessary but not a sufficient prerequisite for ferromagnetism (saturation polarization).
  • Magnetic semiconductor components eg M diode, M -Transistor, M-Thyristor, and M-semiconductor field modulator

Abstract

Die Feldkraftmaschine (FKM) besteht aus mehreren Funktionseinheiten mit unterschiedlichen Funktionsmechanismen und Anwendungsspektren. Die Funktionseinheiten sind: 1. Feldkraftgenerator (FKG), der aus Feldbatterien (FB), z.B. zwei in antiparalleler Position befindliche Permanentmagnete (PM), und einem Feldmodulator (FM) besteht, und durch Steuerung des Feldes der Feldbatterien durch den Feldmodulator, zwischen den Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Zustand, im Takt der Maschine mechanische Arbeit erzeugt. Der Feldkraftgenerator (FKG) wird erfindungsgemäss auf das Grundprinzip eines magnetischen Kondensators und dessen magnetischer Kapazitätssteuerung zurückgeführt. Da beim Feldkraftgenerator die Energie permanent und emissionsfrei aus den Feldbatterien, angesteuert durch den sehr kleinen Energiebetrag des Feldkraftmodulators, analog der Ansteuerung eines elektronischen Transistors, generiert wird, kann dieses Feldkraftmaschinen-System die Energie-Infrastruktur weltweit und nachhaltig ändern.

Description

FELDKRAFTMASCHINE Beschreibung der Erfindung
Ä. Technisches Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht
Die Erfindung der Feldkraftmaschine (FKM) bezieht sich auf Potentialfelder und Wirbelfelder bzw. Dipolfelder, im speziellen auf magnetische, elektrische, thermische und gravitative Felder und enthält fünf Gruppen von Erfindungen, die untereinander verbunden sind, so dass sie eine allgemeine erfinderische Idee verwirklichen.
1. Feldkraftgeneratoren (FKG)
2. Feld- Halbleitermodulatoren
3. Feldkraftmotoren (FKE)
4. Pleuellängen-Variatoren (PV) 5. Magneto-elektrisches Feldkraft-System
Die 1. Erfindung bezieht sich auf auf Feldkraftgeneratoren als Gegenstück zur Wärmekraftmaschine. In Feldkraftgeneratoren arbeitet ein elastisches Kraftfeld gesteuert durch einen Feldmodulator; die Arbeit entsteht durch Enspannung des zuvor gespannten Feldes analog einer Feder. Dieser irreversible Kreis-Prozeß erfolgt im p, V-Diagramm mit 4 Takten.
Der Feldkraftgenerator kann alternativ als Rechts- oder Links-Kreisprozess - Maschine konstruiert werden. Die 2. Erfindung betrifft Feld-Halbleitermodulatoren. Dies sind Bauelemente, die keine Elektronenströme leiten, steuern, verstärken, schalten, modulieren, sondern Felder (magnetisches Feld, elektrisches Feld etc.)
Die 3. Erfindung bezieht sich auf Feldkraftmotoren, die mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die elektrische Energie wird durch Magneser bzw. Elektreser in Kraftfeldstöße umgesetzt, die als Arbeit genutzt werden kann.
Die 4. Erfindung der Pleuellängen-Variatör, ist ein neuer hocheffizienter Kraft- Drehmoment-Wandler und kann für Motoren, Pumpen, Verdichter sowie andere
Systeme eingesetzt werden.
B. Einschlägiger Stand der Technik
Der einschlägige Stand der Technik ist in der ausgewählten Literatur am Ende der Patentanmeldung benannt.
C. Zu lösende technische Aufgabe Anwendung der Feldkraftmaschine
Die Auslegung des FKG erfolgt je nach Verwendungszweck. Z. B. wird ein FKG als Gasturbinenersatz auf hohe und konstante
Drehzahl und nicht auf wechselndes Drehmoment ausgelegt. Z.B. bei Verwendung als Antrieb in einem Schiff, oder Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom, ist eine konstante Drehzahl mit großem Drehmoment gefordert. Z.B. bei Verwendung als Direktantrieb für einen Automotor sind ein wechselndes Drehmoment, Elastizität und wechselnde Drehzahl und kurzes Ansprechverhalten (hohe Dynamik) gefordert. Hier bietet sich die zweite Erfindung, der Stoßwellen-Feldkraft-Motor (FKE) als hochdynamischer fundamental neuer E-Motor an, weil nicht die Tangentialkraft, sondern die Normalkraft umgesetzt wird.
FKM-Typen
1. Longitudinal-Maschinen
Longitudinal-Maschinen sind Hubkolben-Maschinen, da sie ihre Wirkung aus der Erzeugung eines großen Luftspaltes zwischen den PM's beziehen.
Typen (Fig. 1.1 - 1.2): a) Hubkolben-Feldkraftmaschine Zwischen Totpunkten OT→UT→OT ungleichförmige Bewegung, d.h: beschleunigte und verzögerte in Bewegung bzw. schwingende Massen (Oszillationen). b) Freikolben-Feldkraftmaschine (linear oszillierend, nutzt kinetische Energie für die Gegenfeld-Verdichtung) c) Orbitalkolben-Feldkraftmaschine Huboszillation = Drehoszillation, dadurch ist keine Kurbelschleife notwendig → wenig drehende Teile Auch Transversal-Maschinen lassen sich als Hubkolben-Maschinen bauen; hierbei ist die oszillierende Transversalbewegung die "Hubbewegung".
Longitudinalkraft-Maschinen (Fig. 1.1 a,b) 1.1 Hubkolben-FKM Bern.: Wanderfeld-FKM Linear-Oszillation mit Quer-/Tangentialkraft; sehr langer Hub möglich: FM-Bewegung in y-Achse (Fig. 1.2 a,b,c). Unterarten: Taumeischeiben-FKM Exzenter-FKM 2. Transversal-Maschinen
Transversalmaschinen sind nur für eine Verschiebung der PM - gegeneinander bei konstantem Luftspalt gedacht - also nicht wie bei der Erzeugung eines großen longitudinalen Luftspaltes bei Hubkolbenmaschinen. Typen a) Kreiskolben-Feldkraftmaschine Radialer "Hub", Maschine hat keine "Totpunkte", Bewegungsumformung nicht notwendig, keine freien Massenkräfte (lassen sich alle ausgleichen). b) Drehfeld-Feldkraftmaschine (Fig. 2 a, b,c) Umlauf-Feld, ähnlich Drehstrom-Maschine - axiale und radiale Scheiben-Bauart c) Wanderfeld-Feidkraftmaschine (Fig. 1.2 a, b, c) Linear-Maschine, linear oszillierend oder lineare Bewegung mit Wanderfeld Transversal-FK vs. Longitudinal-FKßH In der longitudinal arbeitenden FKM wird die longitudinale (Normalrichtung auf den Polflächen) befindliche Kraft-Weg-Kennlinie benutzt -der Hub ist variabel, je nach Polflächenform (Ebene, Konus, Tauchsystem) etc. (Fig. 3).
Die kinematische Funktion im Betrieb der FKM entspricht also einer Hubkolbenmaschine, die in verschiedenen Typen (siehe ff.) realisiert werden kann. Die transversale FKM unterscheidet sich insofern, als sich die abstoßenden
Magnete immer im gleichen longitudinal-Luftspalt-Abstand befinden, aber die transversale Abstoßungs-Kraft-Weg-Kennlinie in Tangentialrichtung der Magnetflächen genutzt wird. Der FM bewegt sich in der kinematischen Version ebenfalls transversal, aber senkrecht zu der Transversal-Bewegung der PM's, d.h. immer in gleicher
Pol-Richtung (nicht von + →-).
Mit diesem Prinzip lassen sich Transversal-Maschinen als Wanderfeld-FKM's (Translations-Maschinen) und Drehfeld-FM's (Rotations-Maschinen) realisieren - siehe FKM-Typen.
Beim Verschieben des FM muß auf den Gleichgewichtszustand geachtet werden, so daß sich keine asymmetrischen Anziehungskräfte auf den FM ergeben. Auch hier kann ein PS verwendet werden, um den Luftspalt mit großem Feldfluß überbrücken zu können.
Scaiierung (in Nano-, Mikro-, Makro-, Groß-Technologie) Alle vorgenannten verschiedenen Betriebsbedingungen lassen sich durch das vom Verwendungszweck abhängige Bauprinzip in jeder Scalierungsstufe lösen - das Funktionsprinzip der FKM bleibt dabei gleich.
Paradigmenwechsel
Die Fe/dkraftmaschine ist einerseits ein Pendant zur Wärmekraftmaschine (beide erzeugen eine Kraft bzw. Energie im Kreisprozeß im p, V-Diagramm die durch die Kurbelwelle in ein Drehmoment umgeformt werden kann) und andererseits zum Dynamo-Prinzip von Michael Faraday (elektrischer Strom wird erzeugt durch Bewegung eines elektrischen Leiters in einem Magnetfeld), jedoch mit dem wesentlichen Unterschied, dass im ersten Fall Treibstoff (Benzin/Gas etc.) und im zweiten Fall mechanische Energie (Drehmoment, Kraft) von aussen zugeführt werden uss.
Beim FKG werden die Feldbatterien als Permanentmagnete (PM / PE / SM) nur einmal von außen zugeführt eingebaut - die Systemgrenze befindet sich also vor den Magneten. Jedoch befindet sich das antreibende, Kraft erzeugende permanente Energiefeld (Feldkraft der Magnet-Feldbatterie) im Gesamtsystem der Maschine (zunächst vergleichbar mit einer eine sehr lange Zeit haltenden elektrischen Ladung einer Batterie oder sehr lang haltende Brennstäbe eines KKW). Im Unterschied zu Kernbrennstäben müssen die Feldbatterien, wegen ihrer besonderen Eigenschaften, nicht mehr ausgetauscht / erneuert werden. Eine irgendwie geartete weitere Energiezufuhr von außen ist also bei Feldbatterien in ihrer praktisch unbegrenzten Lebenszeit nicht notwendig. Die Feldkraftmaschine als nicht-klassische feldquanten-dynamische Maschine führt deshalb zu einem Paradigmenwechsel: Vom Primat der Materie (Teilchen = Elektronen-Fluß im Leiter, Kernenergie mit Neutronen-Fluß, fossile Brennstoffe etc.) zum Primat des Energiefeldes (Feldquanten-Fluß mit Schaltung des Austausch-Feldes).
Heute: Verbrauch von Materie (Benzin, Brennelemente etc.). Fundamental neu: aktive Nutzung von Energiefeldern.
Fortschitt / Nutzen Jede Art von Verbrennungs- / Elektro-Motor / Gas-Turbine / Batterie (bei
Autos, Flugzeugen, Eisenbahnen, Schiffen, Bikes, Computern, Herzschrittmachern, Energie-"Quelle" im Eigenheim bzw. Kraftwerke, etc.) kann ersetzt werden, so dass in der Lebenszeit des Systems nicht nachgetankt bzw. nachgeladen werden muss.
Der FKG liefert in der Energiebilanz folgendes Ergebnis:
1. Heutige Generatoren und Motoren nutzen die Tangentialkraft an der Oberfläche. FKG und FKE hingegen nutzen in der Longitudinal-Maschine die Normalkraft (senkrecht zur Oberfläche): dadurch entsteht eine erhebliche Kraft-/Drehmomentsteigerung.
2. Der hohe Wirkungsgrad entsteht durch das longitudinal-zu-transversal Kraft-Weg-Verhältnis, d.h. Kraft-Weg der Feldbatterie-Arbeit Wab in Normalenrichtung zu Kraft-Weg des Feldmodulators in Transversalrichtung Arbeit W2U (FM = fast kraftlos schaltbar).
3. Der Felddruck p und die daraus entstehende Kraft F entlang des Hubes h (Weg in Normalenrichtung) im Volumen V = Arbeit im p, V-Diagramm, wird durch die Erfindung des Pleuellängen-Variators mit Kurbelwelle und einem Hebelarm bei φ = 90° KW, statt wie bei der klassischen Kurbelschleife bei φ = 0°-12° KW, eingeleitet - so entsteht- wegen der höheren Effizienz des Translations-Rotations-Wandlers (Pleuellängen-Variator) - ein wesentlich höheres Drehmoment und und eine höhere Leistung der Maschine.
1. Feldkraffcgeneratoren (FKG
A. Darstellung der Erfindung !. Grundprinzip/Aufbau Der Feldkraftgenerator besteht aus 3 Teilen: 2 Feldbatterien FB und ein
Feldmodulator FM. Die Feldbatterien können Magnete (Permanent-Magnete PM oder Supraleitermagnete SM) mit Steuerung der Wirkung des Magnetfeldes oder Permanent-Elektrete PE mit Steuerung der Wirkung des elektrischen Feldes sein. Das erfindungsgemäße Prinzip des Feldkraftgenerators kann auch bei nicht permanenten Potenzial-, Wirbelfeldern angewendet werden. Das
Prinzip des Feldkraftgenerators ist analog auf alle Arten und Dipolfeldern von Potenzialfeldern, Wirbelfeldern und Dipolfeldern anwendbar.
Der Feldgenerator läßt sich demnach auch in den Prinzipien a) Wärmefeld-Kraftmaschine, FM ist ein Dithermikum, plus zwei Wärmefeldquellen (Thermikum), als thermischer Kondensator u./o. b) Gravitationsfeld-Kraftmaschine, FM ist ein Digravitum, plus zwei Gravitationsfeldquellen (Gravitum), als gravitativer Kondensator realisieren.
Die Arbeit ist in diesen Feldern (Wärmefeld u./o. Gravitationsfeld) wegabhängig. Bei entsprechender konstruktiver Gestaltung lassen sich auch Feldsenken verwenden.
Der Feldkraftgenerator soll am Beispiel der Steuerung der Wirkung des Magnetfeldes bei PM's erläutert werden.
Der Feldkraft-Generator als Energie-"Quelle" (Magnet PM/SM oder Elektret PE) erzeugt im Falle des PM aus magnetischer Feldenergie permanenter ferromagnetischer Felder mit Hilfe eines Feldmodulators / FM mechanische Energie. Der FM ist eine dünne magnetisch schaltbar Ferro-Schicht mit Kippschalter-Funktion, die zwischen den Zuständen leitend- oder sperrend / isolierend und ggf. mit Verstärkungswirkung als aktiver FM für Magnetfelder oder Elektretfelder wirkt.
Bei der vorliegenden Erfindung werden als Feldmodulator auch neue magnetisch wirkende M-Dioden und M-Transistoren als M-Bipolar- bzw. M-Feldeffekt-Transistoren, sowie bei der Leistungsmagnetronik M-Thyristoren, M-GTO-Thyristoren, M-Thyristordioden, M-Triac und M-IGBT, eingeführt.
Zweck: Schaltung / Verstärkung von Magnetfeldern, gleiches gilt für für Elektretfelder.
Der FM, bei Impulsausgleich 2 FM-Teile, sind schwingende magnetostatische Massen mit negativer (anziehender) magnetostatischer Feldwechselwirkung (phänomenologisch wie quantenhafte Gitterschwingungen) und übermitteln eine anziehende Austauschwechselwirkung zwischen den antiparallelen "Leitungs"-PM's übermitteln. Die PM's verhalten sich in diesem Gleichgewichtszustand wie "gebundene" Cooper-Paare im Grund-Zustand mit E=0. II. Magnetische/elektrische Kondensatoren
1. Definition, Dimagnetikum / Magnetikum, Dielektrikum / Elektrikum
Dimagnetikum (μτ ~1 >1) = nicht leitend (di = durch) Magnetikum (μr → max) = leitend
Dielektrikum (εr ~1 1) = nicht leitend (di = durch) Elektrikum (εr → max) = leitend
2. Modell Der Feidkraftgenerator wirkt wie ein magnetischer Kondensator mit gleichnamigen Vorzeichen (antiparallel) der Magnetisierungen auf den Magnet- Polflächen und einem dazwischen befindlichen Dimagnetikum zur gegenseitigen magnetischen Isolation und Herstellung des Gleichgewichtes zwischen Abstoßung PM's und Anziehung FM. Zur Verdeutlichung sprechen wir dabei nicht von "Induktivität" im magnetischen System, sonden von "magnetischer Kapazität", da die Kraftwirkung zwischen den Magnet-Polflächen als magnetischer Kondensator mit dazwischen befindlichem Dimagnetikum (= Feldmodulator) erklärt werden soll.
Analoges Prinzip elektronischer Kondensator
Im elektrischen Feld werden die Elektrisierungen im Ferro-/Ferrielektrikum von
Elektreten erzeugt. Dimagnetikum = Feidmodulator a) transversal kinematisch passiv oder aktiv b) stationär passiv oder aktiv
Die Steuerung der Feldwirkung im Kondensator kann eriϊndungsgemäß auch bei nicht-permanenten Feldern und auch bei anderen Potential- und Wirbelfeldarten erfolgen.
3. M-/E-Kondensator-Funktion
Füllt man den Raum zwischen den magnetischen Leitern ("Quelle" = Magnete) eines magnetischen Kondensator mit einem magnetischen Isolierstoff (Dimagnetikum oder dimagnetisches Medium mit Permeabilitätn), dann erhöht sich die magnetische Kapazität Cm. Wird ein Dimagnetikum in den Zwischenraum hineingeschoben, dann sinkt die magnetische Spannungsanzeige des Magnetometers. Gleiches Prinzip gilt analog für das Dielektrikum mit der Kapazität Cό und
Permittivität ε.
4. Kondensator - Funktion
Es besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen einem magnetischen Kondensator ohne oder mit Dimagnetikum bei 1. konstanter magn. Spannung und einem Kondensator bei 2. konstanter Magnetisierung:
Kraft zwischen zwei Magnetisierungen
Beim Coulombschen Gesetz steht εr im Nenner, so auch μr beim magnetischen Kraft-Gesetz, d.h. die Kraft zwischen zwei Ladungen/Magnetisierungen ist im dielektrischen/dimagnetischen Medium kleiner. Das ist ein Fall analog zum elektrischen/magnetischen Kondensator mit konstanter Ladung/Magnetisierung; mit Dielektrikum/Dimagnetikum zwischen den Platten/Magnet-Platten werden Spannung U bzw Θ und Feldstärke E bzw. H kleiner.
Ob die Energiedichte im Medium größer oder kleiner ist als im Vakuum, hängt von den Randbedingungen ab: In Fällen, die analog zum "Kondensator mit konstanter Spannung" sind, bleibt H bzw. E konstant und we bzw. wm ist proportional zu εr bzw. μ{. In Fällen analog zum "Kondensator mit konstanter Ladung/Magnetisierung" (Typ FKG) ist sowohl E bzw. H als auch wθ bzw. wm proportional zu 1/εr bzw. 1lμr.
Das Grundprinzip des FKG ist demnach:
1. Die Wirkung eines magnetischen Kondensators mit Dimagnetikum zwischen ""derTMägnet-Platten und
2. Die Herstellung eines Gleichgewichtes zwischen der Abstoßung der antiparallel angeordneten Magnet-Platten PM's (positive Energie) und der Anziehung durch das Dimagnetikum FM (magnetische Kapazität als negative Energie). Die Variante anziehende Magnet-Platten und ein FM in der Mitte mit abstoßender Wirkung ist mit diamagnetischem FM-Stoff möglich. Hierzu gehören: Edelmetalle lonenkristalle, Van-der Waals-Kristalle kovalente Kristalle, Molekülkristalle Typ-Il-Supraleiter Typ-I-Supraleiter
Ein FKG-Anti-Kondensator-Prinzip besteht darin:
1. zwei dimagnetische Platten befinden sich im Gleichgewicht ohne FM dazwischen und werden erst angezogen, wenn ein anziehender FM-PM dazwischen ist.
2. zwei diamagnetische Platten befinden sich im Gleichgewicht ohne FM dazwischen und werden erst abgestoßen, wenn ein abstoßender FM-PM dazwischen ist.
5. Magnetische Kondensator-Typen
Erfindungsgemäß befindet sich zwischen den Magnetroden (Elektroden) M-Anode ./. M-Kathode das Dimagnetikum. Ein Diagramm kann die Spannungs- Kapazitäts-Bereiche der magnetischen FM-Kondensatortypen zeigen. - Ferro-/ferri-Metallfolie und Dimagnetikumsfolie
- metallisierte Ferro-Zferri-Dimagnetikumsfolie
- Magnetrolyt
- Sinter-Dimagnetikum - Ferro-/Ferri Keramik Klasse I: niedrige Dimagnetizitätskonstante μ, Klasse II: hohe Dimagnetizitätskonstante μr Klasse III: sehr hohe Dimagnetizitätskonstante μr Ais Ausgangsmaterial wird eine ferro/ferrimagnetische Scheibe verwendet, die durch Reduktions- und Oxidationsprozesse magnetische Halbleitersperrschichten bildet, die wie ein Dimagnetikum wirken → spannungsabhängige Kapazitätswerte Herstellung als Vielschicht-Kondensatoren → hohe Volumenkapazität - Einstellbare Kondensatoren - Drehkondensator - Luft-/Ferro-/Ferri-Keramik-Trimmer - integrierter magnetischer Kondensator - Kapazitätsdioden - FM-Blockkondensator, - FM-Drehkondensator Alle Kondensatoren sind erfindungsgemäß in magnetischem (Magnet) oder elektrischem (Elektret) Prinzip realisierbar. in. Vvirkprinzip FKG-System 1. Feldkraftgenerator (FKG) Es werden bei der Erkärung des Wirkprinzips der Einfachheit halber in der weiteren Beschreibung die Begriffe auf ferro-/ferrimagnetische Stoffe und Wirkungen bezogen, obwohl die Wirkungsprinzipien der ferro-/ferrelektrisch weichen und harten Stoffen phänomenologisch gleich sind und sich der
- Patentanspruch auch auf diese phänomenologisch symmetrischen Wirkungsprinzipien bezieht (vgl. Hysterese) Dies gilt auch für den Supraleitermagneten als SM-Ersatz. Der Feldmodulator mit der Dicke s ist in der Version A) in der Mitte zwischen den sich longitudinal abstoßenden Magneten (Fig. 4), in der Version „Inline-FM" Der FM kann auch je 1/2 geteilt sein (Impulserhaltung, kürzere Verschlußzeit). Feldkraft 1/2 für Abstoßung, 1/2 für PM-FM-Anziehung B) außerhalb der sich dabei bis auf d→0 näher als bei A) kommenden Magnete (ohne dazwischenliegenden FM mit Dicke s) angeordnet (Fig. 5), Outline-FM und stellt bei geeigneter Dicke s ein Gleichgewicht durch Anziehung zwischen den sich abstoßenden antiparallel orientierten Magneten her, weil der weichmagnetische Stoff stark anziehend, entsprechend der Permeabilität, (negative Energie = anziehend, positive Energie = abstoßend) auf die beiden Magnete wirkt. Wird der kinematische Feldmodulator transversal parallel zur PM-Fläche (Taπgentialrichtung) verschoben und aus dem Wirkungsbereich der PM's entfernt, so wird geringere Arbeit benötigt (→ transversale Kraft-Weg-Kennlinie, transversale Anziehung des FM von den PM's wird kompensiert), als die longitudinale Arbeit bei Abstoßung der PM's (→ longitudinale Kraft-Weg-Kennlinie senkrecht zur PM-Fläche (in Normaienrichtung)), weil im günstigsten Fall ein Feld mit magnetischer Vorzugsrichtung quer zur FM-Bewegung, d.h. auf einer Äquipotentialfläche (potentielle Energie bleibt gleich), geschnitten wird (Fig. 6). Feldlinien quer schneiden auf Äquipotentialfläche → keine Arbeit, keine potentielle Energie. Bern.: Bei inhomogenem Feld in x-Richtung kann der FM sich senkrecht dazu in y-Richtung auf einer Äquipotentialfläche ohne Arbeitsaufwand bewegen. Ft wegen nicht streng homogenem Feld. Der Feldkraftgenerator wechselt vom Zustand des Gleichgewichtes zwischen
"PM-Abstoßung und FM-Anziehung" in den Nicht-Gleichgewichts-Zustand (Kippfunktion = nichtlineare Kippschwingung). Dabei erhalten beide PM einen elastischen Feld-Stoß (Impuls) in longitudinaler Richtung und bewegen sich deshalb von der OT-Position der Kurbelwelle zu einer UT-Position in der der FM wieder geschlossen wird und bei FM = "Zu" ein erneutes magnetisches
Gleichgewicht herstellt, so dass die PM's in die OT-Position ohne Gegenkraft (Abstoßung) zurück bewegt werden können (Fig. 7). Die Bewegung zwischen den Gleichgewichts-Zuständen bei OT und UT-Position erfolgen dynamisch oszillierend und bei verschiedenen
Drehzahlen (Frequenzen, parametrisch angeregt durch den FM).
Durch die transversal kinematisch oszillierende Bewegung des FM-Verschlußes (von transparent/ Luft = "AUF" nach intransparent = weichmagnetischer Stoff im Feld = "ZU") oszillieren die Magnete, wobei a) eine Rückstellkraft, z.B. durch die Schwungmasse einer Schwungscheibe (mit Schwingungsdämpfer dämpft auch die Feld-Stöße in den Takten und Beschleunigungen /Verzögerungen bei OT/UT)) auf einer Kurbeiwelle, bewegt die Magnete in die Ausgangsposition (OT= oberer Totpunkt = 0°KW) zurück (Kreisprozeß, Leerhub), oder b) zwei weitere weitere Magnete mit je einem FM in der UT-Position (UT = unterer Totpunkt = 180° KW), die Rückstellung Richtung OT durch Abstoßung bewirken, während der 1. FM geschlossen ist, also keine abstoßende Kraft zwischen den Magneten bei OT besteht (Fig. 8).
Der oszillierende Feld-Stoß, als Impuls auf die Pleuels übertragen, wird bei OT (und ggf. UT = Nutzung von Hub -h) als Nutzarbeit verwendet. Z.B. elastischer Feld-Stoß → Druck auf die PM-Fläche mit Bewegung im
Volumen V → Kraft zur Bewegung einer Spule im Magnetfeld als E-Wanderfeld-Linear-Generator, oder umgewandelt in ein Drehmoment mittels Pleuellängen-Variatoren und Kurbelwelle (Fig. 9). 2. Magnet- / Elektret-Feidbatterie
Feldbatterie - / Magnetdesign (PM)
Zwei 2 Feldbatterien = Permanentmagnete in abstoßender (oder auch anziehender Wirkung) orientiert (antiparallel) stoßen sich mit großer Kraft ab. Entscheidend ist beim Feldbatterie- / Magnetdesign das Verhältnis von Kraft zu Eigengewicht, das zu optimieren ist, um die kinetische Energie der bewegten
Magnete klein und ihre Kraft groß zu erhalten. Hierbei bestimmt die Kraft-Weg-Kennlinie in Normalenrichtung die Arbeit W, die in einem p,V- Diagramm im irreversiblen Kreisprozeß erzeugt werden kann. Ein besonders vorteilhaftes Magnet-Design wird durch eine Sandwich- Anordnung erreicht. Als Feldbatterie bezeichnen wir in x-y-z oder im Dreiecksnetz angeordnete Magnete bzw. Elektrete bzw. Supraleitermagnete (Fig. 10) Die PM's bzw. PE's oder SM's können zu PM- / PE- / SM-Feldbatterien zusammengeschaltet werden, um eine kumulativ hohe Kraft bei relativ niedrigem Eigengewicht zu erhalten.
Die PM bzw. PE sind auszulegen nach einem Optimum von Haftkraft zu Eigengewicht unter Repulsionsbedingung, so dass keine Entmagnetisierung stattfindet (beachte Entmagnetisierungsfaktor N=1 bei (BH)max). → Minimierung der kinetischen Energie.
Die longitudinale Kraft-Weg-Kennlinie ist entsprechend dem Oszillations-Hub und der geforderten Drehmomententfaltung in ihrer KraüANeg-Funktion zu gestalten (z.B. ebene Polfläche, konkave Fläche, Konus, Tauchmagnet, etc.)
3. Feldmodulator (FM)
Feldmodulator Grundprinzipien
Der Feldmodulator FM wird mit kinematischem oder stationärem Prinzip betrieben. 1. Kinematischer FM: Der kinematische FM kann passiv und/oder aktiv gebaut werden; er schaltet zwischen Materie im Feld (FM leitend) nach Luft/Gas/Vakuum im Feld (nicht leitend). Die aktive Version nutzt die Wirkung von anziehenden Hilfsfeldern zur a) Unterstützung der Anziehung oder b) mit anziehender Wirkung zur Reduktion der Dicke des FM c) zur Kompensation von anziehenden/ abstoßenden Wirbelstrom-Wirkungen bzw. magnetischen Transversaleffekten 2. Stationärer FM: Der stationäre FM ist nur als aktiver FM mit verschiedenen alternativen Wirkprinzipien realisierbar.
Feldmodulator - Arten
Der Feldmodulator ist ein Dimagnetikum. 1 FM zwischen 2 PM wirkt wie ein magnetischer Kondensator mit dem wesentlichen Merkmal der Erzeugung eines Gleichgewichts-Zustandes durch Einbringen der magnetischen Kapazität. Ein Feldmodulator zwischen den beiden Magneten kann deshalb die Abstoßung der PM's an- oder abschalten (nur die Wirkung des Feldes, d.h. der Energie im Raum zwischen den Magneten). Der FM hat den Zustand "Auf oder "Zu". Bei diesem Schaltvorgang wird der FM von "nicht leitend" == "Auf, z.B. Luft zwischen den Magneten, nach "leitend" = "Zu" = ferromagnetischer Stoff zwischen den Magneten, geschaltet. Durch den ferromagnetischen Stoff im Spalt zwischen den Magneten wird die magnetische Kapazität so erhöht, dass ein Gleichgewichts-Zustand zwischen Abstoßung der PM's und Anziehung des ferromagnetischen Stoffes (FM-Dimagnetikum) eintritt: Bei FM = "Zu" befinden sich die 3 Elemente im statischen und dynamischen (Wirbelströme) Gleichgewichts-Zustand .
Es ist noch auf den Arbeitspunkt bei maximaler Leitfähigkeit ( maχ bei Bopt) des ferro-/ferrimagnetischen Stoffs im Magnetfeld zu achten; im Arbeitspunkt der Flußdichte-Feldstärke-Kennlinie ist die Schaltwirkung optimal und führt zu einem dünnen Feldmodulator, der bei Stellung "Auf zu einem sehr kleinen Luftspalt führt. Zu beachten ist eine bestimmte magnetische Formanisotropie, die die Leitwirkung in tangentialer Richtung maximiert (Sperrwirkung in Normalenrichtung).
Um den Luftspalt und damit den Kraft=Weg=Verlust zu verhindern, kann ein Polschuh (PS) mit anisotropen ferro-/ferrimagnetischen Material eingesetzt werden. Dieses anisotrope Material zwischen den Magneten leitet vorzugsweise in Nermalenrichtung, so daß die Abstoßung nur ganz gering gemindert wird. Zu beachten ist auch eine bestimmte magnetische Formanisotropie, die die
Leitung in Normalenrichtung maximiert (Sperrwirkung in Tangentialrichtung).
Der Feldmodulator und Polschuh können in kinematischer (instationärer) oder stationärer Version angefertigt werden. Beim stationären FM bzw. PS wird die "Transluzenz" für magnetische Flußquanten zwischen "Auf und "Zu" geschaltet, ohne dass der FM bzw. PS bewegt werden muß. Bei der kinematischen Variante wird der FM/PS in seiner Lage oszillierend bewegt.
Der FM bzw. PS kann als Inline-FM (zwischen den Magneten) und als Outline-FM (außerhalb der Magnete) angeordnet werden. Der Zustandwechsel
Gleichgewicht/Nicht-Gleichgewicht bleibt davon unberührt.
Die Feldwirkungs-Steuerung des FM kann mit Leitfähigkeitsmodulation oder mit Kanalquerschnittsmodulatiαn durch ein Feld quer zum Kanal erfolgen.
3.1 Unterscheidung zwischen kinematischen und stationären FM Kjtϊθmaϋseher FM: tranversale Bewegung / Oszillation mit transversaler Magnetischer Anziehungs-, induktive Wirbelstrom- (magn. Abstoßung), sowie Wärme-Kompensation, falls diese auftreten. Bei Ferriten entstehen so gut wie keine Wirbelströme, weil diese einen sehr hohen spez. elekt. Widerstand haben.
FM-Verschluß offen = Luft, Gas, Vakuum zwischen den PM,
FM geschlossen = weichmagnetischer Stoff plus ggf. statische / dynamische Hilfs-Felder als aktiver FM (Fig. 11).
-Ft wegen PM (transversal schwach anziehend) und wegen Wirbelstromkräfte (schwach bremsend) bei Oszillation des FM = Dämpfung der Schwingung, Lorentzkräfte hemmen die Bewegung auch wenn sich das B-Feld zeitlich ändert (PM-Oszillation). Wirbelstromverlustleistung proportional der Blechdicke →-:s. Beachte bei hohen Frequenzen Skin-Effekt.
→ Aktiver FM mit dynamischem Kompensations-System
(Anti-Wirbelstrom-System)
Transversalkraft-Kompensation. Der kinematische FM kann Komponenten des aktiven FM tragen, um gewisse negative tnduktions-Kraftwirkungen zu kompensieren (Fig. 12).
Stationärer FM: Dynamische Änderung der Leitfähigkeit (Permeabilität bzw.
Permittivität) ggf. plus dynamische Hilfs-Felder (Anziehungs-Basis verstärken +
Wirbelstrom- Abstoßungs-Kompensation). Der stationäre FM verbleibt immer in seiner Position in der Mitte (Symmetrieebene) zwischen den PM's. Dieser FM-Typ kann nur als aktiver Schalter/Verstärker gebaut werden, da er in der Änderung seiner stationären Wirkung geschaltet und nicht in seiner Position transversal kinematisch verschoben wird.
Stationärer FM: "Zu" = "Isolator'VSperrschicht = hohe Permeabilitätszahl μτ>1 - Ferro-/Ferrimagnetismus "AUF" « transparent = niedrige Permeabilitätszahl μr «1 = hoher Paramagnetismus (Fig. 13).
Übersicht FM-Typen a) Leitend / nicht leitender FM (ParaFerro/Ferri-FM etc.) c) M-Transistoreffekt mit magnetischem Halbleiter-FM. b) M-TühneleffekTvön Flußquanten dürcrf den geschlossenen FM (Fig. 14).
Die Varianten a) können ohne oder wegen induzierter Wirbelströme mit Lamellierung (Permeabilität-Schicht + Anti-Wirbelstrom-Struktur) (BildlS) und offener/geschlossener Abschirmgehäuse-Geometrie verwendet werden
(doppelräumiges Abschirmgehäuse mit je einem PM).
3.2 Passiver Feldmodulator
Der FM stellt in seiner Grundstellung (intransparent = "Zu") das notwendige Gleichgewicht zwischen Anziehung durch den FM und Abstoßung durch die
PM's her (alle transversalen Kräfte sind Null).
Wirbelstrom-, Hystereseverluste und Spinrelaxation treten nur bei dynamischer Oszillation der PM's und bei elektrisch leitendem Stoff, bei hohen Frequenzen nur in der Oberfläche des FM, auf. Jede Flächenseite des FM ist zum jeweiligen
PM gerichtet, da die Fläche nicht genau in der Symmetrieebene liegt (der FM hat die Dicke s). Die im FM negativ wirkenden induzuierten Lorentz-Kräfte werden dynamisch kompensiert. Außerden sind die beiden PM's in der antiparallelen rückläufigen
Gleichgewichts-Position (passiver FM geschlossen) orientiert, in der sich die Felddiffusionswirkungen im FM, bei Bewegung der PM's hin zum geschlossenen FM im FM, wegen der gegenseitig neutralisierenden abstoßenden Wirkung der PM-Felder (Lorentz-Kraft aufgrund des kompensierten Induktionsstromes = induziertes magnetische Moment
(Lenz'sche Regel) = null) in der Mitte des FM (wegen der gegenläufigen Drehrichtung der Wirbelströme) aufheben. Sie heben sich jedoch nicht an der Oberfläche des FM -wegen der Entfernung Δs von der Mitte (Symmetrieebene) des FM zum PM - auf. Auch die Ummagnetisierung des FM tritt in der Mitte des FM nicht ein, weil sich die Feldwirkungen in der Mitte des FM gegenseitig aufheben (Gleichgewichts-Zustand). Dynamische Kompensation der induzierten Lorentz-Kraft bei elektrisch leitendem FM-Stoff und magnetische Vorspannung
Alle auftretenden dynamischen Effekte an der Oberfläche des FM (im Ergebnis abstoßende Kräfte bei Annäherung der PM's an den FM (FM = geschlossen) (-» Lenzsche Regel)) werden dynamisch kompensiert durch einen aktiven FM, oder durch eine magnetisch anziehende "Vorspannung", die erst bei höheren Frequenzen zum "statischen" Ersatz-Gleichgewicht kommt, weil bei Stillstand ein aktiv anziehendes FM-Hilfs-Feld die fehlende Anziehung kompensiert. Damit wird der statische Gleichgewichtszustand in höhere Frequenzen verlagert und der FM kann in der Dicke s dünner werden, was zur Folge hat, dass die PM's dynamisch einander näher kommen können und damit die abstoßende Kraft beim Stoß (FM = AUF) viel größer ist (beachte Kraft-Weg-Kennlinie). Im statischen Zustand ist bei magnetischer Vorspannung, ohne eingeschaltetes Hilfsfeld, die Abstoßung größer als das Gleichgewicht, womit die PM's einen gewissen neuen, größeren
Gleichgewichts-Abstand, verrückt um Δs einnehmen, der nicht der FM-Dicke s entspricht.
Der Feldmodulator wirkt in geschlossenem Zustand (FM - leitend) für ein Magnetfeld wie eine Sperrschicht / "Isolator", genau so wie in einem
M-Transistor (= Feldquantenventil), wenn die Basis gesperrt geschaltet ist, oder der Kanalquerschnitt durch das angelegte Gate-Feld für Feldquantenfluß = null ist). Die Permeabilität μ der weichmagnetischen Legierung bestimmt die Dicke s des FM zwischen den PM's (magnetische Leitfähigkeit μ- oμr) durch sehr hohe Permeabilität.
Die sehr unterschiedlich "abschirmende" Wirkung in einem geometrisch offenen oder geschlossenen Gehäuse (magnetischer Nebenschluß) bestimmt den Grad der gegenseitigen Abschirmung der sich abstoßenden PM's -jeder PM kann sein eigenes Gehäuse haben, die durch den FM gekoppelt sind (Fig. 16). Bern . : In geschlossener Geometrie werden frequenzabhängig Wirbelströme induziert, die zur Erhöhung der Abstoßung führen, aber nur dann, wenn Streufelder in das Gehäuse gelangen, siehe ff. Kapitel Feldmodulator.
Der FM läßt die permanent gespeicherte potentielle Feldenergie der PM's in ihrer Wirkung (Kraftwirkung als Feldquantenfluß) durch oder sperrt diese (ähnlich einem Kameraverschluss für Photonen von der Sonne).
Der Feldmodulator aus sehr gut magnetisch leitendem weichmagnetischem Stoff mit entsprechender Dicke s hat eine anziehende Wirkung auf die PM's, die umso stärker ist, je dickerer ist - damit wird die zunächst große Abstoßung der PM's mit zunehmender Dicke zum Gleichgewichts-Zustand, und dann bei weiter zunehmender Dicke vom Gleichgewichts-Zustand mit dem FM, in eine starke
Anziehung in der Kraft-Weg-Kennline gewandelt.
Die PM's können normalerweise keine stabile Gleichgewichtslage einnehmen, wenn nicht der FM symmetrisch zu den PM's positioniert ist und die PM's nicht mechanisch über Zahnräder oder Kurbelwelle gekoppelt sind, so dass sie sich nicht einseitig nähern können (labiles Gleichgewicht), ohne den anderen PM gleichzeitig mit zu verrücken. Ab einer bestimmten Dicke s etc. kippt das Gleichgewicht in eine starke
Anziehung durch die PM's. Umgekehrt wird die Anziehung vergrößert, wenn die Dicke s kleiner als im Gleichgewichts-Zustand ist (Fig. 17a - c).
Die Dicke s, Form, Stoff, innere Struktur, etc. des FM regelt so den Gleichgewichts-Zustand der mechanisch symmetrisch gekoppelten PM's durch eine nichtlineare Kippfunktion ein. Dies ist das Grundprinzip eines passiven FM.
Entscheidend ist die hohe Permeabilität (magn. Leitfähikeit), Aussteuerung bei ("max Bo t und entsprechender Legierung sowie die anisotrope Kristallstruktur; ebenso die Änderung von μ bei andereFBIechd/c/ce und Lamellenfom?.
Es gibt noch ein aktives Grundprinzip in dem der FM, z.B. in der PermeabilitäWnduktionsKurve, oder in der Temperatur*lnduktion*Kurve (Schaltung der Wirkung von ferromagnetisch nach paramagnetisch bei Curie-Temperatur Tc), von "transparent" - "AUF" (nicht leitend), nach →
"intransparen = "ZU" (leitend), geschaltet wird
Sinngemäß gilt das auch für ferrimagnetische und ferro-/ ferrielektrische Stoffe (Fig. 18a - e). Auch der SM kann durch einen Temperaturgradienten von supraleitend in normalleitend geschaltet werden.
Energiebilanz zwischen longitudinaler zu transversaler Kraft-Weg-Kennlinie Her kinematische FM bewegt sich in transversaler Richtung vorzugsweise auf einer Äquipotentialfläche, also querzur magnetischen Vorzugsrichtung der PM- Felder und quer zur Longitudinalrichtung der (im allgemeinen inhomogenen) Kraftfelder im Gleichgewichtszustand bei OT. Bei longitudinaler Bewegung des FM würde potentielle Energie benötigt bzw. gewonnen, so dass bei kinematisch-osziSiierendem FM - bedingt durch den Gleichgewichtszustand PM-FM-PM und hohe magnetische Leitfähigkeit im FM - sehr wenig Energie verbraucht wird, →- Verhältnis longitudinales Kraft-Weg-Integral (PM-Arbeit) zu transversalem Kraft-Weg-Integral (FM-Arbeit). → Die Arbeitsdifferenz ist sehr groß (Fig. 19) und fällt zugunsten der
FM-Bewegyng mit E→O ays, Folge; Per FM kann fast kraftlos transversal bewegt werden (beachte auch ferrimagnetischer Stoff ohne induzierte Wirbelströme; bei elektrischen Leitern wird durch ein Anti-Wirbelstrom- Prinzi die Lorentz-Kraft unterbunden). Der FM schaltet nur die Wirkung des Kraftfeldes, d.h. der
Austauschwechselwirkung = der spontanen Magnetisierung / Polarisation bzw. der Spinmömeήte oder Momente der SM's. Die Verbesserung der magnetischen Vorzugsrichtung kann z.B. durch weichmagnetisch komorientiertes Blech oder durch einen Stoff mit starker Kristallanisotropie, z.B. mit hexagonaler Struktur, erfolgen. Der FM kann deshalb eine magn. Vorzugsrichtung in Richtung der Magnetfeldlinien haben, also vom PM+Pol zum PM-Pol eines und desselben PM. Die Kraft-Weg-Kennlinie (Arbeit) ist unterschiedlich, je nachdem ob die FM-Bewegung parallel im Feld und Polrichtung oder senkrecht dazu, also auf einer Äquipotentialfläche, stattfindet und ob das Blech kömorientiert ist öder nicht (üblicherweise ist die Kornrichtung parallel zur Walzrichtung) (Fig. 20). 3.3 Aktiver Feldmodulator Ergänzt wird das passive FM-Grundprinzip durch ein aktives FM-Prinzip und zwar unabhängig davon, ob ein kinematischer oder stationärer FM benutzt ~ wird. Entscheident ist, dass statische und/oder dynamische Kräfte kompensiert werden müssen - wenn sie störend auftreten, womit im allgemeinen die induzierten Lorentz-Kräfte gemeint sind, aber auch magnetisch transversale Kräfte, wenn sie bei der Bewegung des FM auftreten. Auch kann ein aktiver FM benutzt werden, um die FM-Dicke reduzieren zu können, da der weichmagnetische FM-Stσff in einer FM-Spule verstärkend wirkt. 1. Grundprinzip des FM = statisches Gleichgewicht mit weichmagnetischem Stoff mit FM-Dicke |s| etc., zunächst ferrimagnetischer Stoff, weil dieser so gut wie keine induzierten Wirbelströme zuläßt. Wird zur Optimierung auf metallische Stoffe übergegangen, so können Anti-Wirbelstrom-Prinzipien angewendet werden (→Pkt. 3). 2. Wirkungskompensation der Abstoßungskraft bei dünnerer FM-Dicke s a) durch statisch anziehendes Hilfs-PM-Gleichfeld mit verstärkend wirkendem magnetischen Kippschalter, siehe ff. b) durch aktiv dynamisch anziehendes Hilfs-Feld mit verstärkend wirkendem weichmagnetischen Kern, siehe ff. c) durch Anziehung verstärkende, statt schaltende Funktionen, z.B. mit einem verstärkenden M-Transistor-Effekt. 3. Dynamische Wirkungskompensation der negativen Kraft (Abstoßung) aus Wirbelstrom-, Ummagnetisierungs- und Spin-Relaxations-Effekten: a) dynamisch angepaßte, kinematisch bewegte, anziehende weichmagnetische Lamellen, ändern die FM-Dicke s dynamisch mit der Frequenz b) durch magnetische anziehende Vorspannung mit konstantem Hilfs-PM-Gleichfeld c) durch dynamisch variable anziehende aktive Hilfs-Felder mit weichmagnetischem Kern, siehe ff. 4. Elektrodynamischer Feld-FM als Ersatz für den weichmagnetischen FM mit Dicke s (schlechtester Wirkungsgrad, da keine Verstärkung durch weichmagnetischen Stoff) Alle Varianten sind voll regelbar von den Zuständen "transparent" mit μx «1 bis
"intransparent" mit μr → maχ/Bopt-
4. Polschuhe zur Überbrückung des Luftspaltes bei kinematischem FM
Als Option zur Übertragung der Feldkraft ohne FM-Luftspalt (→ Kraftfeldschluß) kann erfindungsgemäß wie folgt verfahren werden:
Über einen PS wird im offenen Zustand des FM eine Fluß-Brücke durch einen oder zwei Polschuh(e), (je nach Konstruktionsvariante), zwischen den sich abstoßenden PM's hergestellt. Wird der FM geöffnet, also transversal verschöben, söentsteht ein Luftspälf mi der Dicke d=s+2Δd, und in diesem Luftspalt entsteht ein großer Abfall der magnetischen Kraft in der Kraft-Weg-Kennlinie. Dieser Kraftabfall wird durch transversal, simultan mit der FM-Bewegung, nachfolgendem(n) Polschuh(e) mit hoher, stark anisotroper Leitfähigkeit in longitudinaler Richtung z.B. a) Co hexagonale Kristallanisotropie in 00.1 »Richtung, oder b) kornorientiert, oder c) Ei-/Bikristall,
Unter Ausnutzung der Föfmäriisόtröpie, ausgeglichen - und damit das Feld durch gerichtet Flußleitung übertragen (Fig. 21).
Im Grunde wirkt der PS umgekehrt wie der FM:
Bei seiner Anwesenheit besteht hohe Leitfähigkeit in Richtung des Gegen-PM (entgegengerichtet wie der FM mit hoher Leitfähigkeit in transversaler Richtung). Der "Polschuh" (PS) besteht aus mehreren Flußleit-Übertrager-Stücken. Die Flußleit-Stücke stellen den Fluß in Normalenrichtung zwischen den einzelnen Polen der verschiedenen sich abstoßenden Magnete her, so daß die ursprüngliche Kraft der PM im Abstand h=0 mit fast 100% übertragen werden kann. Es bestehen ggf. nur noch die 2 Luftspatt-Lücken Δd, die als Spalt zur mechanisch reibungsfreien Bewegung des FM/FP/FS dienen, wenn nicht eine Keil-Funktioή benutzt wird (→KonstruktionVarianten).
5. PM-rCθιben und PM's Im Magneikre mit Anziehung
Erfindungsgemäß wurden die FKG-Konstruktionen im Abstoßungs-Prinzip erklärt. Die Fig. und Texte (Fig. 22) zeigen, dass, konstruktionsbedingt durch FM-Flußumleitung, erfindungsgemäß auch ein Anziehungs-Prinzip mit anziehendem weichmagnetischem Gegen-PM, statt mit abstoßendem Gegen-PM, realisiert werden kann. Das Magnetfeld wird durch die hochleitfähigen, im Gleichgewicht von Anziehung (FM) und Abstoßung (PM's) stehenden und schaltbaren FM's, herausgeführt, so daß der weichmagnetische Kolben den Magnetkreis schließt: Prinzip Anziehung durch 2 FM's.Folge: Die FM's leiten den Magnetfluß ohne physikalische Berührung (sehr kleiner Luftspalt) zum Kolbenboden/Joch; der Luftspalt ist sehr viel kleiner als die FM-Dicke. Im Gegensatz zu innen liegenden FM's (Inline-FM) mit Direktabstoßung und Kraftverlust -wegen der FM-Dicke = Luftspalt -wird bei dieser Lösung die maximale Kraft über den Magnetkreis zum Kolbenboden geleitet (über die FM-Flußleitstücke).Die bewegte Masse ist viel kleiner als bei den vorhergehenden Lösungen, da die Magnete als Stator fungieren, nur die FM's und der Kolben (Anziehung) bewegen sich oszillierend. Problem: Tangentiale Trennkraft am Kolbenboden: Verringert sich simultan mit der Trennung der PM's (der Feldbatterie FB) durch die FM's.
6. Schalt-Zustände des FM
"ZU" = gesperrtfisoliert" /intransparent = magn. leitender FM: Physikalisch = magnetische Flußquanten können den FM wegen hoher Leitfähigkeit μ=μoμτ (aufgrund hoher Permeabilität) des FM in Normalenrichtung
(Longitudinalrichtung) nicht durchqueren, sie werden in ihrem Fluß in Tangentialrichtung (Transversalrichtung) umgelenkt/umgeleitet nach außen, d.h. FM mit abschirmender Wirkung. "ZU" bedeutet: Ferromagnetische anziehende Austauschwechselwirkung (Spinkopplungeri) wirksam (→ FM eingeschaltet).
"AUF" = geöffnetfnichtisoliert" /transparent = magn. nicht leitender FM: physikalisch = magnetische Flußquanten können den stationären FM wegen sehr schlechter Leitfähigkeit (niedrige Permeabilität μτ*1) des FM, bzw. beim kinematischen FM Luft/Gas/Vakuum, das Raumgebiet durchqueren. Die
Flußquanten werden in ihrem Fluß nicht umgelenkt umgeleitet, d.h. sie wirken als abstoßendes Feld in Richtung des antiparallel orientierten Gegen-PM, d.h FM mit nicht abschirmender Wirkung. "AUF" bedeutet: Ferro-/ferrimagnetische anziehende Austauschwechselwirkung (Spinkopplungen) unwirksam (→ FM ausgeschaltet).
Aus den Feldkraft-Stößen durch öffnen des FM entstehen longitudinale elastische Stoßwellen aus magnetostatischen Sub-Feldquanten und daraus zuerst eine mechanische Primär-Kraft entlang des Weges in Normalenrichtung (Longitudinal-Maschine) oder des Weges in Transversalrichtung
(Transversal-Maschine) bzw. ein Primär-Drehmoment bezüglich des Winkels
(Rotations-Maschine).
Aus dieser Kraft/Drehmoment kann elektrischer Strom mit einem E-Generator gewonnen und/oder ein Antriebsmoment direkt genutzt werden.
Die Erfindung beinhaltet eine Systematik über verschiedenen FM-Prinzipien. Die Kompensation bzw. Eliminierung von induzierten Wirbelströmen mit Anti-Lorentz-Kraft und Anti-Lenz-Kraft sind durch besondere Konstruktionen und Wirkprinzipien gewährleistet.
IV. Wirkprinzip & Design Magnete / Elektrete
Offener Permanant-Magnetkreis /-Elektretkreis / Supraleiter-Magnetkreis
1. Design Permanent-Magnet (PM), Permanent-Elektret (PE)
Die Erfindungen gelten für ferromagnetische, ferrimagnetische und analog für ferroelektrische und ferrielektrische Stoffe.
Ferrimagnetische Stoffe haben einen sehr hohen spez. elektr. Widerstand, allerdings ist die Energiedichte wesentlich niedriger als bei ferromagnetischen Stoffen. Bei den nachfolgenden Festlegungen sind die ferro-Zferrielektrischen Stoffe (PE) in den Wirkprinzipien analog den ferromagnetischen Stoffen (PM) auslegbar. Das Design hängt von verschiedenen Parametern in nachfolgender Rangfolge ab:
1. Magnetwerkstoff 2. Charakteristik, Kennlinien des PM-Typ: Entmagnetisierungskurve, Induktion Bf, maximales Energieprodukt (BH) ax, Koerzitivfeldstärke HC bei T, Curie-Temperatur T0, Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungskurve mit Entmagnetisierungsfaktor N=1. 3. Design der Form des PM und Orientierung der Feldvektoren, z.B. runder Magnet vs. Zeilenmagnet.
4. Geometrische Dimensionierung mit Optimum von Haftkraft zu Eigengewicht V=H/G.
5. Longitudinale / transversale Kraft-Weg-Kennlinie funktional gestalten.
6. Verhältnis transversale x-Kennlinie zu transversale y-Kennlinie für Translation des FM: senkrecht vs. parallel zu den Feldlinien. Bei Verschiebung parallel zu den Feldlinien liegen Feldlinien in Richtung der Verschiebung → Kraft in Richtung Feldvektor + → -, bei Verschiebung senkrecht zu den Feldlinien werden die Feldlinien / Feldvektoren quer geschnitten -+ fast kraftlose Verschiebung, ähnlich wie im homogenen Feld, hier auf Äquipotentialfläche.
2. Kraft Gewicht-Optimierung des PM
2.1 Gesamt Haftkraft und Struktur der Permaneπt-Feldbatterie (FB) Die FB kann durch Aneinanderreihung vieler Zellen-Magnete zu einer MagneMSruppe und mehrere Magnet-Gruppen zu einer Magnet=Matrix (z.B. Dreiecks-Netz, wie bei einem Supraleiter = dichteste Packung mit im Winkel dazu kinematisch oszillierenden FM, oder in x-y-Richtung mit orthogonaler FM-Oszil!ätiön) in einer Ebene Und danach zu in einem Käskädefiäufbäü (Schichtenaufbau in z-Richtung) mit vielen solchen Magnet-Matrizen zu einer Magnet-Batterie zusammengesetzt werden. So erhalten wir eine sehr große optimierte Kraft auf kleinem Raum mit kleinem Gewicht. Die Addition der Haftkraft solcher PM-Pakete erbringt wesentlich mehr Haftkraft als ein gleich schwerer einzelner PM.
V. Wirkprinzip & Design Feldmodulator 1. Feldmodulator-Prinzspier. (M-FM)
Allgemeine Prinzipien
Für die magnetische Feldmodulator-Steuerung unterscheiden wir:
- magnetische Feld-Leiter (Leitfähigkeit = hohes μ=μoμ{, beachte Aussteuerung in Permeabilität-Induktion-Kennlinie mit μmax - Bopt). - magnetische Feld-Nichtleiter (μt≥1 ( Luft, Vakuum, paramagnetische Stoffe, ferromagnetische Stoffe, etc.) = magnetische Isolatoren - Dimagnetika (dia - durch).
- magnetische Feld-Halbleiter.
Vorgenannte Systematik gilt für ferro- und ferrimagnetisch weiche Stoffe. Wirkung bei ungleichnamigen PM-Polen des magnetischen Kondensator: Wird ein Dimagnetikum in ein magnetisches Feld gebracht, so nimmt die magnetische Feldstärke gegenüber der des Vakuums auf den μrten Teil ab, während die magnetische Kapazität durch das einbringen des Dimagnetikums auf das μrfache steigt.
Bei gleichnamigen PM-Polen:
Bei Einbringen des dimagnetischen FM → Feldstärke sinkt (Spannung wird verringer) = Abstoßung wird kleiner, Kapazität steigt. Der FM wirkt in Richtung jedes PM wie ein PM mit ungleichnamigem Vorzeichen (anziehend), bzw. wie eine unmagnetisierte Platte
Im elektrischen Feld (Elektrete) gilt für die Feldleituπg
- elektrische Feld-Leiter (Leitfähigkeit = hohes ε=εoεr, beachte Aussteuerung in Permittivität-Verschiebungsdichte-Kennlinie mit εmax - Dopt.
- elektrische Feld-Nichtleiter (εr≥1 ( Luft, Vakuum, ferroelektrische Stoffe, Keramik (HDK), etc) = elektrische Isolatoren = Dielektrika (dia = durch).
- elektrische Feld-Halbleiter
Vorgenannte Systematik gilt für ferro- und ferrielektrisch weiche Stoffe.
Wirkung bei ungleichnamigen PE-Polen des elektrischen Kondensators: Wird ein Dielektrikum in ein elektrisches Feld gebracht, so nimmt die elektrische Feldstärke gegenüber der des Vakuums auf den εrten Teil ab (Spannung wird verringert), während die elektrische Kapazität durch das einbringen des Dielektrikums auf das εrfache steigt.
Bei gleichnamigen PE-Polen:
Bei Einbringen des dielektrischen FM → Feldstärke sinkt (Spannung wird verringert) = Abstoßung wird kleiner, Kapazität steigt. Der FM wirkt in Richtung jedes PE wie ein PE mit ungleichnamigem Vorzeichen (anziehend), bzw. wie eine unmagnetisierte Platte
M-Feldmoduiator und E-FM
M-FM = ferro-/ferrimagnetischer Feldmodulator (Gegensatz: ferro-/ferrielektrischer Feldmodulator = E-FM mit ferroelektrischen Stoffen). Die Funktionsprinzipien des M-FM sind auf die des
E-FM phänomenologisch übertragbar.
Grundprinzip aller Feldmodulatoren ist die Schaltung oder Verstärkung bzw.
Reduktion der Permeabilität/Permittivität im Spalt zwischen den PM's/SM's, d.h. von leitend nach nicht leitend bzw. "Zu" → "Auf oder umgekehrt. Die Kapazität wird bei Einbringen des FM zwischen die gleichnamigen, sich abstoßenden
PM-Pole, vergrößert, wobei die Feldstärke sinkt, bei öffnen des FM ist die
Wirkung umgekehrt.
Der Feldmodulator ist ein Dimagnetikum oder Dielektrikum für Felder und nicht für Elektronen, wobei ein Gleichgewichtszustand hergestellt wird.
Nachfolgend wird die Wirkung anhand von magnetischen Feldern erklärt. Optimierung
Insbesondere ist daran zu denken, dass ferrimagnetische Stoffe kaum Elektronen enthalten und deshalb so gut wie nichtleitend sind. In diesem Fall kann das Kernprinzip des FKG - ohne Wirbelstromeinflüsse - besser verstanden werden.
Bei Verwendung metallisch magnetischer Feld-Leiter sind Elektronen im FM vorhanden (die freien Leitungselektronen sind die Ursache für die Wirbelströme), die erfindungsgemäß durch geeignete technische Lösungen, als Optimierung des Kernprinzips ohne Elektronen im FM in ihrer Wirkung kompensiert, reduziert oder beseitigt werden.
Es muss auch noch die magnetisch-transversale Kraftwirkung (Anziehung des FM) bei transversaler Bewegung parallel zur magnetischen Vorzugsrichtung des PM-Feldes kompensiert werden; bei senkrechter Bewegung (auf der Äquipotentialfläche) ist das kaum notwendig.
Dynamisches vs. statisches longitudinales Gleichgewicht eines metallischen FM
All diese Feldmodulator-Typen folgen einem dynamischen Prinzip:
Im statischen Gleichgewichts-Zustand im Gleichfeld der Magnete erfolgt keine dynamische Gegenkraft (Lorentz-Kraft). In der Grundversion des FM kann ein
Ferrimagnetischer Stoff mit sehr hohem spez. el. Widerstand benutzt werden, der auch bei hohen Frequenzen so gut wie keine induzierten Wirbelströme und deshalb praktisch keine Lorentz-Kräfte zuläßt. Erst bei Verwendung metallisch magnetischer Feld-Leiter im Betrieb mit
Frequenz f erfolgt eine Gegenkraft aus Wirbelstömen und Spinrelaxation: Verzögerungseffekt durch Feiddiffusion: Bei hoher Feldänderungsgeschwindigkeit werden im weichmagnetischen FM-Materiat des magnetischen Kreises, aufgrund der anwesenden Leitungselektronen im FM, Induktionsströme verursacht, die ihrer Ursache (Feldaufbau und -abbau) entgegenwirken
(Lenzsche Regel)). Diese Gegenkraft vermindert das zuvor statische Gleichgewicht mit steigender Frequenz
(und schnellen Schaltvorgängen des FM), deshalb muss ein dynamischer FM diese frequenzabhängige Gegenkraft frequenzabhängig kompensieren, oder die Leitungselektronen durch Influenz aus dem Wirkungsbereich des Magnetfeldes verschieben, so dass ein dynamische Gleichgewicht entsteht.
Bern.: Wechselfelder:
Der Schirmfaktor des Gehäuses fällt bei Schirmen mit Öffnungen (offene Geometrie) mit steigender Frequenz ab. Im Gegensatz zu vollständig geschlossenen Schirmen (geschlossene Geometrie) bei denen er exponentiell ansteigt. Der Schirmfaktor bedeutet Abstoßungsfeld des Gehäuses wegen induzierter Wirbelströme in der Abschirmungsschicht. -→ Geschlossene Geometrie des Gehäuses verwenden. Variable FM-Dicke (Fig. 23)
Bei der Anpassung der FM-Dicke s zur Steigerung der Anziehung des FM als Kompensation gegen Wirbetstrom-Abstoßung ist darauf zu achten, daß sich der OT-Punkt verschiebt. Deshalb muß der PM-Kolben durch ein a) Knick-Pleuel oder b) integrierte Steuerung beim Pleuellängen-Variator nachgeregelt werden mit -ΔH. Alternative: Negative magn. Vorspannung (für f= 100 - 300 Hz) mit-ΔH. Dynamische Nachführung der anziehenden Kraft bei Hub hmin → hmax (Fig. 24).
Die Lorenz-Kraftwirkungen entstehen bei: a) im geschlossenen Zustand des FM wegen der PM-Bewegung UT-→OT, b) bei Bewegung des FM mit transversalem Schneiden der longitudinalen Feldlinien zwischen den PM's.
Dynamisches vs. statisches transversales Gleichgewicht des FM (Fig. 25 a,b)
Die Kompensation der auftretenden transversal-statisch magnetischen Anziehung der PM's auch bei sehr langsamer FM-Bewegung in parallelem PM-Feld, wie auch die dynamischen Lorentz-Kräfte - bedingt durch Wirbelströme - bei transversal höherer Bewegungsgeschwindigkeitdes kinematischen FM, wird erfindungsgemäß ebenso gelöst.
Kompensation transversaler dynamischer Kräfte: a) Anziehung durch PM: Fι=konst, F=/(r) Fι= Anziehung durch PM b) Bremseffekt durch Wirbelströme sowohl -F2 als auch +F2. Fι= Anziehung durch PM F2
Beachte abstoßende + anziehende Kräfte neutralisieren auch Anziehung +
Wirbelströme in der geometrischen Mitte des FM.
2. fiismatischer Feldmodulätor (mit / ohne Lameliierung)
Kinematischer Verschluß (FM-Platte bewegt sich in verschiedene Stellungen)
(Fig. 26):
FM "AUF" 5= magnetischer Fluß in z.B. Luft (magn. Isolator) → hohe Feldstärke zwischen den PM's, kleine Kapazität
FM "ZU" = magnetischer Fluß im FM (magn. Leiter). → kleine Feldstärke zwischen den PM's, hohe Kapazität
2.1 Geometrie des Abschirmgehäuses Bern. : Wechselfelder:
Der Schirmfaktor des Gehäuses fällt bei Schirmen mit Öffnungen (offene Geometrie) mit steigender Frequenz ab. im Gegensatz zu vollständig geschlossenen Schirmen (geschlossene Geometrie) bei denen er exponentiell ansteigt. Der Schirmfaktor bedeutet Abstoßungsfeld des Gehäuses wegen induzierter Wirbelströme in der Abschirmungsschicht.
→ Geschlossene Geometrie des Gehäuses verwenden, d.h. der Geometrieeffekt ist ggf. größer als der Werkstoffeffekt.
Offene Geometrie : 1. FM als Platte mit Dicke s=
Geschlossene Geometrie:
2. FM als Deckel (Platte mit Dicke s) eines doppelräumigen Abschirmgehäuses (in jedem Raum ein PM) (= im Takt geschlossene / offene Geometrie) (Fig. 27), Varianten wie zuvor genannt. 2.2 Passive und aktive Enline- und Outline-FM's
Der passive FM hat keine aktiven longitudinal anziehenden Hilfsfelder/Anziehungskräfte, außer sich selbst; vorzugsweise bei Ferriten (Fig. 28).
Der passive FM kann mit einem aktiven FM ergänzt werden, um abstoßende Wirbelstrom-Kräfte etc. zu kompensieren bzw. um den FM in der Dicke dünner gestalten zu können, so daß die PM's dichter zusammenkommen können. Die aktiven Hilfsfelder müssen auch im Zusammenhang mit dem
Energieverbrauch des aktiven FM betrachtet werden, womit der Wirkungsgrad beeinflußt wird.
Feldmodulator-Arten (Fig. 29): Ihline-FM (Fig. 29.1):
Optimierung s durch Verstärkung der Anziehung → «;s Fig. 29.1 d): Varianten a) Weichmagnetischer Kern, Verstärkungswirkung mit geringem Spulenstrom am Arbeitspunkt A3 der B-H-Kennlinie, oder Spule kann flache Spirale sein, um sie sehr klein zu machen (Spule geätzt auf Ferro-Substrat). b) Hartmagnetischer Kern: Magnetisierung / Entmagnetisierung c) Halbharter magn. Kern bistabil schaltbar = binär schaltbarer Dauermagnet durch Magnetisierungs-/Demagnetisierungs-Impuls.
Fig. 29.1 e): Varianten a) Äußerer Permanent-Magnet mit Flußleitstücken b) Äußere Spule (Energie darf Gesamtbilanz nicht aufzehren). Verstärkung durch Kern am Arbeitspunkt A3. c) Hartmagnetischer Kern: Magnetisierung / Entmagnetisierung d) Halbhart magn. Kern bistabil schaltbar = binär schaltbarer Dauermagnet durch Magnetisierungs-/Demagnetisierungs-Impuls.
Beachte Masse des FM mit Spule etc. → höhere kinetische Energie. Fig. 29.1 f): → geringe kinetische Energie, da die Spulen/Permanentmagnete nicht mitbewegt werden müssen. Felderzeugungs-Varianten wie zuvor beschrieben.
Outline-FM (Fig. 29.2) Passive Permanent-Magnete-FM oder aktive E-Magnete-FM.
Gleichgewicht nicht durch Ferro-Anziehung, sondern passive/aktive Felder. Wegen der 45°-Stellung der Flächen besteht Longitudinalfeld- und Transversalfeld-Modulation. Fig. 29.2 e): Kamm-FM
Kamm-FM hat ggf. mehr Anziehung, weil mehr weichmagnetisches Material zur Wirkung kommt und dabei die PM's trotzdem sich ganz nahe kommen können (Kontakt → 100% Kraftausbeute).
FM-Bewegung Richtung x- bzw. z-Richtung, je nach Feldlinienrichtung (parallel 0. senkrecht). 2.2.1 Weichmagnetischer Stoff
Neu: FM mit negativer magnetischer Energie -(BH)max = Anziehung /Wagnetfs/eπvngskennlinie von weichmagnetischen Stoffen → negatives Energieprodukt: -(B(+H))maχ als negative magnetische Feld-Energie (-W), da weichmagnetischer Stoff anziehend im
Gleichgewicht gegen die sich abstoßenden Magnete mit positiver magnetischer Feld-Energie (+W) und positivem Energieprodukt (B(-H))max.
Magnetische Formanisotropie Entscheidend ist der Arbeitspunkt A3 der Magnetisierungskennlinie bei weichmagnetischem Stoff mit geometrieabhängigem Magnetisierungsfaktor N bei -(BH)maχ, analog Entmagnetisierungsfaktor bei Permanentmagneten. Der Arbeitspunkt A3 der weichmagnetischen FM-Platte ist bei -(BH)max. 2.3 Aktiver FM
Erfindungsgemäß gibt es mehrere Arten von aktiven FM's mit folgenden Fallunterscheidungen:
I. Aktive FM's, um den FM in seiner grundsätzlichen FM-Primäwirkung zu schalten/verstärken.
II. Aktive FM's, um den FM mit anziehenden Ko-Feldern, zur Unterstützung von anziehenden FM-Kräften, zu verstärken. A. → magnetische Hilfsfelder Aktive FMs, um mit einem magnetisch Hilfsfeld die Wirkung aktiv zu verstärken. 1. Longitudinale Richtung Dünnere FM-Schicht mit der Folge einer höheren Abstoßungswirkung bei PM-Position im normalen Gleichgewichtsabstand → Verstärkung der Anziehung durch anziehendes Hilfsfeld. 2. Transversale Richtung Anziehung durch die PM's auf ferro-/ferrimagnetisches Material bei Magnetfeld parallel zur FM-Bewegung → Verstärkung der Abstoßung als Kompensation der transversalen Anziehung durch abstoßendes Hilfsfeld.
III. Aktive FM's, um den FM mit Anti-Feldern zur Kompensation von induzierten Kräften zu unterstützen. A. → Leitungselektronen im FM nicht vorhanden (ferrimagnetische Stoffe): keine Kompensation, da spez. elektr. Widerstand sehr hoch. = FM-Grundprinzip. B. → mechanische Anti-Wirbelstrom-Prinzipien Leitungselektronen vorhanden, aber mit mechanischen Anti-Wirbelstrom-Prinzipien induzierte Ströme und Kräfte minimieren. = Optimierung 1. Art. C. → elektrische Anti-Wirbelstrom-Prinzipien Leitungselektronen vorhanden, aber mit elektrischen Influenz-Prinzipien Leitungseiektronen außerhalb des magnetischen Feldwirkungsbereiches bringen. = Optimierung 2. Art. D. → magnetische Anti-Wirbelstrom-Prinzipien Leitungselektronen vorhanden im magnetischen Feldwirkungsbereich → aktiver Feldmodulator mit aktiven magnetischen Anti-Feldern. = Optimierung 3. Art. 1. Longitudinal-Kraft-Kompeπsation Abstoßenden Wirbelstrom-Kräfte (Lenz-Regel), wenn FM geschlossen und Bewegung PM UT → OT. Der aktive FM besteht darin, daß er seine ongitudinal anziehende Wirkung in der Stärke steuern/regeln kann, um so das Gleichgewicht (trotz Wirbelstrom-Abstoßung aufgrund der Leitungselektronen im FM) dynamisch erhalten zu können. 2. Transversal-Kraft-Kompensation Auch die transversale Wirkung der Abstoßung durch Wirbelströme (Bremseffekt); kann dynamisch gesteuert werden.
Die Kompensation kann realisiert werden z. B. durch aktive magnetische Hilfsfelder (Fig. 30)
Magnetisiert erzeugen 2 in der Symmetrieebene des FKG aneinanderliegende FM je ein anziehendes Gegenfeld (antiparallel anziehend) zur Erzeugung des Gleichgewichtes oder zur Kompensation von statischen/dynamischen Gegenkräften gegenüber dem jeweils abstoßenden Magneten = "ZU". "AUF" = ohne Magnetisierung.
Die Magnetisierung kann bistabit sein, weil dann die Feldkraft ohne dauernde äußere Energiezufuhr bei der Bewegung der PM's von UT bis OT erhalten bleibt. Varianten zur aktiven Feld-Erzeugung / Gegenfeld-Kompensation a) Struktur (z.B. Spule) mit Impulsmagnetisierung Unipolare (einseitige) Impulsmagnetisierung mit Feldstärkehub Δfi und Induktionshub ΔB (Magnetisierungsstrom fließt nur in eine Richtung in einer gegenüber der Periodendauer sehr kurzen Zeitspanne = Impulsdauer). b) Struktur (z.B. Spule) mit Impulsdraht Die Ummagnetisierung erfolgt durch einen einzigen Sprung (Z-Schleife), der einen hohen Spannungsimpuls zur Folge hat. c) Erzeugung energiereicher Stromimpulse - Pulskompressionstechnik unter Verwendung magnetischer Schalter - Stoff mit Rechteckschleife, vorzugsweise amorphe Metalle, wegen geringer dynamischer Ummagnetisierungsverluste d) Beachte bei hoher Aussteuerung: Absinken des Schirmfaktors im passiven FM mit steilem Abfall in Permeabilität-Induktion-Kurve, wenn das Material in die Sättigung gerät. e) Eine Hochfeldspule wirkt wie eine Luftspule ohne Verstärkung durch den weichmagnetischen Kern.
Kopplung aktiver FM mit kinematischem FM
Der aktive FM kann gekoppelt werden (und/oder) mit: a) dem kinematisch-passiven FM, um Wirkungen / Kompensationen dynamisch verändern zu können. b) weichmagnetischem doppelräumigem Abschirmgehäuse (magnetischer Nebenschluß, im Takt offene/geschlossene Geometrie) ohne kinematische Bewegung.
3. Stationärer Feldmodulator (mitohne Lameflierung Feldmodulator-Systematik Übersicht aktive FM-Varianten
1. Permeabilität-Flußdichte-FM = μmax/Bopt = max. Leitfähigkeit → μmin/Bmax = min. Leitfähigkeit, oder μi/Bmin = min. Leitfähigkeit, oder Flußdichteänderung: - Abstand FM in Normalrichtung zur Magnetfläche ändern PM → Δs → ±ΔB - etc.
2. ThermoMag-FM Schalten der Curie-/Neel-Temperatur . Fe/ro-/Ferri-magnetisch Ferro-/Ferri-elektrisch →Magnetisierung "einfrieren"
3. Anisotropie-FM Magnetische Vorzugsrichtung ändern a) Kristallanisotropie ändern / Kornorientierung ändern b) Spannungsinduzierte Anisotropie - umgekehrte Magnetostriktion mech. Spannung ändert Permeabilität (Villareffekt)
4. Weichmagn. Induktions-FM - + ΔB —► B0pt - Bmax Bmin Impulsmagnetisierung mit Pulskompression (UT→OT) Verstärkung durch den Kern
5. Hartmagn. Induktions-FM = Magnetische Kippschalter, oder instationäre magn.Spannung→ variable Remanenz Bf
6. Induktionsstrom-FM = Induzierter Wirbelstrom "An"/" Aus" erzeugt in z.B. AL-/Cu-Schicht
7. Grenzfrequenz-FM = Schaltung durch Betrieb unter/über der Grenzfrequenz
8. Spinresonanz-FM - Klappen der Spinrichtung (Ferro-/Ferrimagnetische Resonanz)
9. ParaFerro-/Ferri-FM = Ferro-/Ferri-Front-Wanderung Kopplungsschicht bzw. Sperrschicht wandert durch den FM, jedoch ohne Temperaturänderung → Atomabstand aktiv ändern
10. M-Halbleiter-FM - Magnetronen- / Magnetronen-Löcher- Wanderung (→ Magnetronik) → Schaltung /Verstärkung / Triggerung M-Bipolar-Transistor, oder M-Feldeffekt-Transistor
11. M-Tunnel-FM = Schaltung magnetischer Tunnelstrom Magnetische Spannung → tunneln / tunneln nicht möglich = SmlmSm-Kondensator magn. Tunnelstrom mit dünner I-Schicht = Dimagetikum = FM, magnetische Spannung → durchleitend / gesperrt
T2. Supraleiter HTSL (Typ 3)-FM = Sch ltung normalleitend/supraleitend → Temperaturänderung = SmlmSm-Kondensator magn. Strom mit dicker I-Schicht = Dimagetikum = FM, magnetische Spannung → durchleitend / gesperrt HTSL Typ 3 hat Hysterese.
Generelles Wirkprinzip des stationären FM Die magnetische Leitfähigkeit μ-μQμr bzw. elektrische Leitfähigkeit ε=εoεr wirkt wegen der negativen Feldenergie immer anziehend vermittelnd auf die Magnete bzw. Elektrete, so dass mit einem Feidmodulator - bei gegebener Permeabilität bzw. Permittivität - der Spalt Kanal zwischen den PM's/PE's von μ bzw. εr =1 → max. und umgekehrt geschaltet und/oder verstärkt/abgeschwächt werden kann (Fig. 31).
Ab-/Anschalten des Ferro-/Ferrimagnetismus Im magnetischen Fall laufen alle Stoff-Wirkprinzipien darauf hinaus, dass die
Spinkopplung bzw. die Austauschwechselwirkung der unkompensierten inneren Elektronenschalen im Falle der Transparenz aufgehoben wird (- Abschalten des Ferro-/Ferrimagnetismus), und umgekehrt: Bei eingeschaltetem Ferro-/Ferrimagnetismus können die Flußquanten den FM nicht passieren:
Das Feld der antiparallelen PM's wird, wegen hoher Leitfähigkeit des Stoffs in Relation zur Flußdichte B, im FM stark deformiert (Fig. 32). Dies hat Auswirkungen auf die Spinmomente der Domänen (Weisssche Bezirke) von statistisch verteilt / ungeordnet / paramagnetischer Wirkung in richtungsgeordnet bezüglich der antiparallelen PM-Feldlinien im FM (hohe
Leitfähigkeit), so als hätte man.die Curie- bzw. Neel-Temperatur unterschritten. Beachte: Es gibt bezüglich der Curie- bzw. Neel-Temperatur auch Stoffe mit umgekehrter Wirkung. Beachte Impuispermeabilität
"Auf wegen μr«1 (paramagnetisch) "Zu" wegen a) aktive Spule schaltet zwischen mit μmax - Bopt → μτ~1 - Bmaκ , oder b) zur anderen Seite der Kennlinie mit μ-, - B=0, Gleichgewicht plus variable Kompensation c) Bistabil: Halbhart magnetischer Kern = Schaltung von konstanten Feldern
FM als Feld-Schalter (Fig. 33)
Stationär-aktive dünne Sperrschicht bei Normaltemperatur mit den FM-Typen: 1. Leitend-nicht leitend-FM, Schalten bezüglich B-H-Kennlinie 2. ThermoMag-FM: Schalten der Curie- bzw. Neel-Temperatur 3. Grenzfrequenz-Feld-Schalter 4. Magnetoelastischer Feld-Schalter 5. ParaFerro-/Ferri-FM Schalten der Austauschwechselwirkung mit einer atomaren Sperrschicht Bewegung der Spinkopplung durch den Kristall 6. M-Halbleiter-FM, Schalten mit M-Feld-Transistoreffekt 7. Tunneleffekt-FM, Flußquanten durchtunneln den FM
Fig. 33: Allgemeine Prinzipien des Feldmoduiators Modulation des ferro-/ferrimagnetisch statischen Feldes durch: A) Kinematischer Schalter mit Passiv- und/oder Aktivelement; passiv: sperrt das PM-Feld, aktiv: Gegenkraft (Kompensation) durch anziehendes Magnetfeld. B) Bistabiler Tc-Permeabilitäts-Schalter durch Temperaturdifferenz am Curiepunkt (Tc).
C) Grenzfrequenz-Schalter: Transparenz durch überschreiten der Grenzfrequenz. D) Magnetoelastischer Feld-Schalter
Fig. 33 b 1):
B-T-Kennlinie = Induktion-Temperatur-Kurve
Temperatur Tc hebt die Spinkopplung auf: FM schaltet von "ferromagnetische" in "paramagnetische" Wirkung um durch Temperaturänderung auf Tc.
Auch variable Einstellung möglich (Kompensatorfunktion).
Fig. 33 b 2):
Wenn die Curietemperatur schnell geschaltet werden soll, so geht das elektrisch Mit Peltierelemeήteh7die sowohl Wärme wie Kälte liefern oder durch
Laserstrahlen - Wärme mit anschließendem Abkühlen und "Einfrieren" eines anderen magnetischen Zustandes.
Der FM kann in Layertechnik mit integrierten Peltierelementen aufgebaut werden.
Die Schichten sind sehr dünn, so daß schnell zwischen Ferro-Para-Ferro-Zustand umgeschaltet werden kann. Schalttemperatur Tc~ 30° C. Die Sättigungsinduktion bei diesen Werkstoffen ist nicht sehr hoch (B& 0,5 T).
Fig.33 b 3):
-F = Anziehung des ferromagnetischen Kolbens bei FM-Tc"Auf . Es kann bei dieser Konstruktion auf einen abstoßenden antiparallelen
Gegenmagneten verzichtet werden (Gewichtsersparnis).
Fig. 33 c):
FM-Steuerung durch Frequenz größer als Grenzfrequenz des Stoffs → Änderung der Permeabilität. Der FM wird entsprechend des Motortaktes geschaltet:
1. Bei OT = "An" → FM paramagnetisch → transparent für PM-Feld aufgrund höherer Frequenz als Grenzfrequenz des nun dynamisierten (instationären) PM-Gleichfeldes.
Die Permeabilität aller magnetischen Werkstoffe zeigt oberhalb einer bestimmten Frequenz einen deutlichen Abfall → Grenzfrequenz. Ursache:
Wirbelströme und Spinrelaxation.
2. Bei UT = "Aus" → FM ferromagnetisch → gesperrt. PM-Kolben kann sich im Gleichgewichtszustand in Richtung OT zurück bewegen PM Permanent-Magnet
FM Feldmodulator FM Frequenzmodulator
Bei diesen FM-Versionen kommt es besonders auf den Energieverbrauch an, da der FM permanent zwischen den antiparallelen PM's in seiner
Wirkung an - und abgeschaltet wird. Geometrie und Form des FM-Θehäuses
Die Prinzipien, wie schon beim kinematischen FM (offene/geschlossene Abschirm-Geometrie) beschrieben.werden hier ebenso anwendbar. Die Abschirmwirkung = Abstoßungswirkung bei Wechselfeldern (Erhöhung des Schirmfaktors infolge induzierter Wirbelströme) ist zu beachten.
Auch hier können Ferro-/ferrimagnetische Stoffe eingesetzt werden, je nach gewünschtem Effekt. Die einzelnen Möglichkeiten zur Flußsteuerung in der FM-Schicht gemäß
Systematik werden nun erfindungsgemäß erklärt:
1. Permeabilität-Flußdichte-FM
Die Schattung erfolgt durch longitudinale Verschiebung der PM's u Δs ZUF Symmetrieebene des F mit der olge"der Erniedrigung der "örtlich ~ wirksamen Flußdichte (starker Abfall in der Permeabilität-Induktion-Kurve mit zunehmendem Abstand Δs von der Magnetffäche).
Damit wird der Wirkungspunkt auf der Permeabilität-Induktions-Kennline verschoben und der stationäre FM schaltet zwischen "Zu" bei Δs = 0 und "Auf bei Δs - Δs, womit sich die Permeabilität stark ändert
(FM: Intransparent→ transparent) (Fig. 34).
Δs → -ΔB: Bmax → Bopt → Bmax , oder Bopt -→ Bmin -→Bopt, je nach Richtung auf der Permeabilität-Flußdichte Kennlinie.
2. ThermoMag-FM
- Ausnutzung der stark nichtlinearen Induktion-Temperatur-Kurve
- FM Verschluß schalten. Prinzip Ferro-/Ferrimagnetisch/-elektrisch: 1. AUF: durch Erwärmung bis in die Nähe oder über die Curie- bzw. Neel-Temperatur (= paramagnetisch » transparent = AUF) 2. Neutralisation (μr*1) oder Ummagnetisierung unter Wirkung eines - konstanten vormagnetisierenden Feldes oder - durch tmpulsmagnetisierung, beachte Impulspermeabilität 3. ZU: "Einfrieren" des ummagnetisierten Zustandes → Magnetisierungsrichtung = anziehend gegenüber Magnet; durch Abkühlen unter Tc bzw. TN= ferro~/ferrimagnetisch =* "ZU" → nichtlinearer FM-Schalter.
3. Anisotropie-FM
1. Kristallorientierung / Kornorientierungs-Umschalter: transversale oder longitudinale Kristall- / Kornorientierung = Flußorientierung = magnetische Vorzugsrichtung schaltbar
2. Villareffekt: Änderung der Permeabilität durch mechanische Beanspruchung (Umgekehrte Magnetostriktion) schalten. 3. Magnetische Vorspannung: Spannungsanisotropie durch statische/dynamische Zugspannung einbringen →magnetische Vorzugsrichtung parallel zur Zugspannung im FM-Blech. Die Zugspannung kann im FM durch eine Vorspannung, z.B. durch Magnetfeldtemperung, erfolgen.
4. Weichmagnetischer Induktions-FM
Ausnutzung hoher Aussteuerung: Absinken des Leitfaktors (statt Schirmfaktors) im FM mit steilem Abfall in Permeabilität-Induktion-Kurve, wenn das Material in die Sättigung gerät, oder wenn B-H→O, d.h. μmax →μ\.
Es erfolgt keine mechanische Verschiebung der PM's um Δs, sondern eine
Figure imgf000032_0001
- Impulsmagnetisierung für hohe Aussteuerung B max (optimal: bistabiier Magnetfeldschalter), beachte Impulspermeabilität a) Struktur (z.B. Spule) mit Impulsmagnetisierung: Unipolare (einseitige) Impulsmagnetisierung mit Feldstärkehub Δfi und Induktionshub Δ B (Magnetisierungsstrom fließt nur in eine Richtung in einer gegenüber der Periodendauer sehr kurzen Zeitspanne = Impulsdauer). b) Impulsdraht: FM-Struktur (z.B. integrierte oder außenliegende Spule) mit Impulsdraht - Ummagnetisierung erfolgt durch einen einzigen Sprung (Z-Schleife), der einen hohen Spannungsimpuls zur Folge hat. c) Erzeugung energiereicher Stromimpulse: - Pulskompressionstechnik unter Verwendung magnetischer Schalter - Stoff mit Rechteckschleife, vorzugsweise amorphe Metalle wegen geringer dynamischer Ummagnetisierungsveriusten d) Konventionelle Hochfeldspule
5. Hardmagnetischer Induktions-FM
- Hartmagnetischer Stoff hat unmagnetisiert Permeabilität μt»1 (!) = transparent = FM "AUF". Magnetisiert erzeugen 2 in der Symmetrieebene des FKG aneinanderliegende antiparallel angeordnete magnetisierte FM-Platten je ein anziehendes Gegenfeld zur Erzeugung des Gleichgewichtes gegenüber dem jeweilig Abstoßenden Magneten → FM = ZU.
- Impulsmagnetisierung a) Struktur (z.B. Spule) mit Impulsmagnetisierung Unipolare (einseitige) Impulsmagnetisierung mit Feldstärkehub ΔÖ und Induktionshub Δ B (Magnetisierungsstrom fließt nur in eine Richtung in einer gegenüber der Periodendauer sehr kurzen Zeitspanne = Impulsdauer). b) Impulsdraht FM-Struktur (z.B. integrierte oder außenliegende Spule) mit Impulsdraht - Ummagnetisierung erfolgt durch einen einzigen Sprung (Z-Schleife), der einen hohen Spannungsimpuls zur Folge hat. c) Erzeugung energiereicher Stromimpulse - Pulskompressionstechnik unter Verwendung magnetischer Schalter - Stoff mit Rechteckschleife, vorzugsweise amorphe Metalle wegen geringer dynamischer Ummagnetisierungsveriusten
6. Induktionsstrom-FM
Induzierung eines Stromes / Stromimpulses in einem leitenden Teil → Wirbelstrom → 1. Abstoßung beim Einschalten 2. Anziehung beim Ausschschalten Der Stromfluß in den Ringen muß so orientiert sein, daß die Feldwirkung auf die PM's im geschlossenen Zustand anziehend wirkt. 7. Grenzfrequenz-FM
Bei Überschreiten der Grenzfrequenz fällt die Permeabilität sprunghaft. Beachte die Konstruktionsangaben zu Grenzfrequenz bei "Wechselfelder".
Periodische Vorgänge - Wirbelströme (Wirbelstrom-Grenzfrequenz)
- Spinrelaxation (gyromagnetische Grenzfrequenz, Ursache: Dämpfung des Elektronenspins, beachte asymmetrische Dämpfung)
Ein-Ausschalt-Vorgänge - Wirbelstrom-Zeitkonstante (wie schnell dringt nach Anlegen des Feldes (des Stromimpulses) die Induktion bzw. der Fluß (konstante Permeabilität vorausgesetzt) in das Blech ein?
8. Spinresonanz-FM FM-Schaltvorgang: Spinmomente in der Richtung des Feldes / der Feldlinien
(AUF) oder senkrecht zum Fluß (ZU) ändern / umklappen.
- Überlagerung durch starkes äußeres Gleichfeld: → ferro-/ferrimagnetische Resonanz
- Spinresonanz-FM = Spin-Richtungs-Schalter: Spins klappen um (→ Spinwellen) Spinresonanz (Präzessionsfrequenz der Spins stimmt mit äußerem Wechselfed überein) → Verluste steigen durch Energieabsorption stark an 9. ParaFerro-/Ferri-FBfl
Die ferro-Zferrimagnetischen Atome sind alleine paramagnetisch. Erst ab einer Schicht von ca. 6 Atomlagen bildet sich durch die Austauschwechselwirkung = Überlagerung der unkompensierten inneren Elektronenschalen Ferro-/ferrimagnetismus wie im Festkörper aus.
→Bindung = Kopplung.
Eine schaltbare Leit-/Sperrschicht sorgt dafür, dass sich Ferro-Zferrmagnetismus = Kopplung (innere Elektronenschalen-Austauschwechselwirkung) von außen gesteuert ausbildet oder gesperrt wird, bzw. die Lei Sperrschicht in ihrer Lage durch den Kristall weiterbewegt wird oder die Kristallstruktur paramagnetisch bleibt.
FM transparent = paramagnetisch = keine Leitfähigkeit = keine Kopplung = "AUF":
-+ Flußquanten durchqueren die Sperrschicht.
FM intransparent = ferro-/ferrimagnetisch = hohe Leitfähigkeit - Kopplung vorhanden = "ZU": → Flußquanten können die Sperrschicht nicht durchqueren, sie werden umgeleitet.
Bei kristallinen Stoffen müssen die spontan magnetisierten Domänen durch aktive Sperrschichten mitgeschaltet werden - amorphe Stoffe haben keine Kristallkörner aber Domänen, da wirkt die Sperrschicht ohne Korngrenzen direkt bei den Atomlagen.
Die FM-Schaltvorgänge sollten bistabil sein, da dann äußere Energiezufuhr während der PM-Bewegung gespart werden kann.
10. M-Feld-Halbleitermodulatoren (→ Magnetronik)
11. Tunnel-FM
Magnetische / elektrische Tunne!effekt=Fe!dmodu!atoren (B- / D-Feld) Das Tunneln von magnetischen Flußquanten (statt beschleunigte Elektronen) durch eine sehr dünne magnetische FM-Sperr-/!solierschicht "lm" erfolgt erfindungsgemäß aufgrund einer magnetischen Spannung Θ und Energielücke E=0. Die elektrische Elementarladung des Elektrons e (Tunnelstrom) entspricht im Falle des magnetischen Tunnel-FM dem magnetischem Fluß bzw. Strom Φ.
Supraleiter-lsolator-Supraleiter-Kontakt (SIS) SIS-Kontakt mit Magnetfeldquanten oder Elektretfeldquanten und sehr dünner Isolierschicht "lm" bzw. "Ie": → magnetischer SMlSwi-Kontakt für magnetische Flußquanten ΦM.
→ elektrischer SelSE-Kontakt elektrische Flußquanten ΦE FM-Schalfunktion analog: a) μ-B Funktion oder ε-D Funktion bei Sprungtemperatur Tc b) μ-B Funktion oder ε-D Funktion zwischen Normaltemperatur T und Tc Steuerung des Tunneleffektes
In dieser aktiven Version des FM werden magnetische Felder bzw. elektrische benutzt, aber nicht als Hilfsfelder zur Verstärkung der anziehenden Wirkung oder zur Kompensation von negativen Kräften etc., sondern als generelles Grundprinzip zur Schaltung des FM: Das Magnetfeld bzw. die angelegte magnetische Spannung steuert die Transparenz der FM- Schicht für die magnetischen Flußquanten, analog zum elektrischen Feld mit elektrischer Spannung und elektrischen Flußquanten.
Zur Herstellung des schaltbaren Tunneleffektes gibt es verschieden Varianten. Stoff-Struktur: a) Supraleitender Stoff der FM-Struktur (mit offener Geometrie) ohne kinematische Bewegung. b) Dünne FM-Isolatorschicht Magnetische Energielücke und M-Süpraleiter-Tunπelstrom (Flußquanten)
Zwei magnetisch leitende Metalle sind voneinander getrennt durch eine so dünne magnetische Isolierschicht "lm" (FM-Dimagnetikum), daß die durch Anlegen einer magnetischen Spannung beschleunigten Flußquanten durch diese magnetische Isolierschicht hindurchtunneln können. Für normaiteitende magnetische leitende Metalle findet man den erwarteten steilen Anstieg des magnetischen Tunnelstroms = Flußquanten mit angelegter magnetischer Spannung. Ist eines der magnetisch leitenden Metalle magnetisch supraleitend, so beobachtet man unterhalb einer Spannung Θo einen deutlich geringeren magnetischen Tunnelstrom = Flußquantenstrom, weil nur der normatieitende Anteil der Magnetronen (M) für den magnetischen Tunnelstrom zur Verfügung steht. Der Wert MΘo ist die auf ein Magnetron entfallende Energie, die bei der Bildung des Magnetronen-Paares = Spinmoment - Kopplung) frei wird. Die Paar-Bildungsenergie für das doppelt magnetisierte (geladene) Magnetronen-Paar, die "Energielücke", ist ΔE = 2MΘo. (Das Elektron e wurde durch das Magnetron M ersetzt)
Die Energielücke ist temperaturabhängig.
Magnetischer SIS-Kontakt
Wenn die beiden durch eine magnetische Isolierschicht "lm" (FM-Dimagnetikum) getrennten magnetisch leitenden Metalle aus demselben magnetisch leitenden
Supraleiter bestehen, die Temperatur T unterhalb Tc liegt und die magnetische Isolierschicht dünn genug ist (< 1 nm), dann ist das ein magnetischer SmlmSm-Kontakt (SupraleiterMagnet-lsolator-SupraleiterMagnet), durch den auch magnetische Flußquanten-Paare hindurchtunneln können = Spiπmoment-Kopplungen (→ vgl. magn. Oberflächenpolarisation durch
Transfer).
Magnetischer Gleichstrom-Effekt (MGE)
MGE entsteht, wenn dem magnetischen Element (SmlmSm-Kontakt) ein schwacher magnetischer Gleichstrom aufgeprägt wird. Unterhalb einer kritischen magnetischen "Stromstärke" (= induzierte Spannung) Φc erzeugt der magnetische "Supraleiterstrom" Φs im M-Element keine magnetische Potentialdifferenz, d.h. es tunneln magnetische Fluß-Paare = Spinmoment-Kopplungen ohne die Hilfe eines magnetischen Feldes durch die magnetische Isolierschicht = Dimagnetikum. Erst oberhalb Φ0 brechen die Fluß-Paar in der magnetischen Isolierschicht zu Einzel-Flußquanten auf = Entkopplung der Bindung, und es ensteht ein magnetischer Spannungsabfall. Der magnetische Tunnelstrom von Flußquanten-Paaren durch den SmlmSm-Kontakt ist stark magnetfeldabhängig: Weil das Feld nicht durch die Sm-Schicht hindurchgeht, kann angenommen werden, daß das B in der Im-Isolierscbicht liegt. Immer wenn der magnetische Fluß Φm durch die magnetische Isolierschicht ein ganzzahliges Vielfaches des magnetischen Fiußquantums beträgt, geht der magnetische Tunnelstrom der Flußquanten durch null. Magnetischer Wechselstrom Effekt (MWE) MWE als Ergebnis einer quantenmechanischen Interferenz ergibt, daß das ~ " Anlegen einer magnetischen Gleichspannung Θ8 an den SmlmSm-Kontakt zu einem dieser magnetischen Spannung proportionalen hochfrequenten magnetischen Wechselstrom (von Flußquanten) Φs=Φs,max sin(2π f t) mit f=(2M/h) Θs führt. Der Effekt funktioniert auch umgekehrt: Wird ein hochfrequenter magnetischer Wechserstrom Φ der Frequenz f dem SmlmSm-Kontakt aufgeprägt, dann treten in der Θ (Φm)-Kennlinie Stufen konstanter magnetischer Spannung der Größe nΘs (n = ganze Zahl) auf.
12. Supraleϊter-FM Magnetische / elektrische Supra-Feldmodulatoren (B- / D-Feld) SmlmSm-Kontakt mit Magneten oder Elektreten und dicker I-Schicht: → magnetischer SmlmSm-Kontakt für magnetische Flußquanten Φm. → elektrischer SeleSe-Kontakt für elektrische Flußquanten Φe. - Supra-Leiter (S-Leiter) - Supra-Nichtleiter (S-Isolator) - Supra-Halbleiter (S-Halbleiter) (mit "gebundenen" Elektronen-Paare, Elektronen-Loch-Paare) FM-Schalfunktion analog: a) μ-B Funktion oder ε-D Funktion bei Sprungtemperatur Tc b) μ-B Funktion oder ε-D Funktion bei zwischen Normaltemperatur T und Tc 13. Temperaturkompensation / Gleichgewichtssteuerung Der weichmagnetische Stoff und seine Magnetisierungskurve mit dem Arbeitspunkt A3 des FM mit Magnetisierungsfaktor N=1 bei -(BH)maχ, wie auch der hartmagnetische Stoff mit seiner Entmagnetisierungskurve mit dem Arbeitspunkt des PM mit Entmagnetisierungsfaktor N=1 bei +(BH)max. unterliegen der Induktion-Temperatur-Funktion, siehe B-T-Kurve: Die Kurve (Magnetisierung / Entmagnetisierung) und die damit zusammenhängende erzeugte Feldkraft ändert sich mit der Temperatur, so daß: a) eine Temperaturkompensation / -regelung der Maschine, und/oder b) Temperaturkompensation von Dauermagneten c) eine Hubvatiation mit Δh zur Steuerung des Gleichgewichts-Zustandes bei Temperaturänderung (Feldkraftänderung = Gleichgewichtszustands-Änderung) notwendig ist, um die Betriebswerte und Funktion konstant zu halten zu können. Desweiteren kann diese Variation Δh benutzt werden, um Δs zur Steuerung der Flußdichte B im Permeabilität-Flußdichte-FM nutzen zu können: "AUF" = Bmax mit r*1 → B0Pt bei μmax = "ZU", oder "ZU" = Bop, mit μmax → B-H = 0 mit w = "AUF"
4. Anti-Wirbelstrom-Prinzipien
4.1 Wirbelströme im FM und Abschirmgehäuse
Wirbelströme treten nur auf, wenn Leitungselektronen im Stoff vorhanden sind, d.h., wenn der spez. el. Widerstand klein ist; z.B. bei Ferriten ist er hoch, deshalb sind in Ferriten praktisch keine Wtrbelströme erzeugbar.
Wirbelströme entstehen besonders in el. leitenden massiven Metallen durch ein magnetisches Wechselfeld a) die PM's nähern sich von UT→OT dem geschlossenem FM → Lenzsche Regel), oder b) durch Bewegung eines Metalls in einem Magnetfeld: der FM bewegt sich transversal im Gleichgewichtszustand der PM's - bei insgesamt sich gegenseitig in der Symmetrieebene der PM's neutralisierenden Feldwirkungen PM-FM-PM - der FM bewegt sich transversal entweder parallel oder senkrecht zu den Feldlinien.
Das Bewegen der FM-Scheibe transversal im Feld der PM's, oder bei stationärem FM die Bewegung der PM's relativ zum ortsfesten FM, induziert im FM eine Spannung, die einen großen Strom (Kurzschlußstrom) im FM verursacht, weil bei einer FM-Scheibe in einem Stück (solid) wie eine in sich geschlossene Leiterschleife wirkt.
4.2 Mechanische Anti-Wirbelstrom-Prinzipien
Um den Wirbelstrom wirksam im FM zu vermindern, werden Schlitze in der FM-Scheibe senkrecht zur FM-Bewegung angebracht, d.h. senkrecht zum Wirbelstrom. Damit das B-Feld nicht durchgreift, wird die FM-Scheibe aus weichmagnetischen Schichten (Lamelleblechen), die parallel zur FM-Bewegung angeordnet und versetzt geschlitzt sind, aufgebaut. Zur Herstellung des Gleichgewichtes zwischen den anziehenden FM-Schichten mit den abstoßenden PM's, können die weichmagnetischen Schichten mit verschiedener Permeabilität so optimiert werden, daß die FM-Dicke s minimiert wird (dünne FM-Schicht).
So entsteht eine räumliche Matrix aus in der FM-Ebene elektrisch isolierten Blechen (Schichten = Lamellen) aus verschiedenen weichmagπetisch abgestuften Stoffen: longitudinal gegenseitig el. isolierte Schichten.
Option: longitudinaler Luftspalt zwischen jeder Schicht wegen der Multiplikation der Abschirmwirkuπg der Einzelabschirmungen /Einzelschichten.
Die Schlitze bzw. Trennschichten in den Lamellierungen unterbrechen den Weg der Wirbelströme, die sich daher kaum ausbilden können. Ein großer Querschnitt in der FM-Scheibe setzt den Wirbelströmen nur einen geringen Widerstand entgegen. Bei senkrecht zur FM-Bewegung (in den lameliierten dünnen, gegeneinander isolierten Schichten) integrierten Trennfugen (= Schlitze), finden die Wirbelströme einen hohen Widerstand vor, weil ihr Stromweg vielfach unterbrochen wird.
Sehr viele Unterbrechnungen steigern den Effekt also erheblich, der Spalt muß in seiner Breite den zu erwartenden Wirbelströmen angepasst werden.
4.3 Mechanische Anti-Wirbelstrom FM-Struktur Die Schlitze müssen senkrecht (= longitudinale Richtung) zur FM-Bewegung, innerhalb der FM-Schichten angebracht sein (Fig. 35).
Dynamische Orientierung der Trennfugen (Fig. 36)
Da die PM's nicht in der anziehenden Position (gegenpolig), sondern in der abstoßenden Position (gleichpolig = antiparalle!) angeordnet" sind, sind die
Feldlinien, wenn sie nicht homogenisiert werden können, stark inhomogen gekrümmt. Aus diesem Grund kann zur optimalen FM-Wirkung die Richtung der Trennungen in der Lamellierung dynamisch den sich bei PM-Bewegung dyna- misch ändernden Feldlinienvektoren angepaßt werden.
Orientierung in der magnetischen Vorzugsrichtung Technisch einfacher ist eine Lösung, in der die longitudinalen Schlitze senkrecht in den Schichten der Lamellierungs-Bleche, unveränderbar angebracht sind und dabei die Vorzugsrichtung der PM-Magnetisierung beachtetWird (Fluß zwischen den Polen eines und desselben PM).
D.h., Richtung der Schlitze parallel oder senkrecht (Äquipotentialfläche) zu den Feldlinien, je nach relativer Bewegung der Schlitze zu den Feldlinien, bestimmt die erfϊndunbsgemäße Wirkung. Alternative Wirbelstrom-Trenn-Struktur a) Dichte Kugelpackung aus weichmagnetischen Domänen, eingebettet in eine elektrische Isolationsschicht - wie ein pulvermetallurgischer Stoff. b) Kubische Mikrostruktur, hergestellt durch Sputtern, Aufdampfen, galvanisch oder mechanisch durch Laserstrahl getrennt, etc.
Diese Strukturen können die Volumen-Wirbelströme in der dicken FM-Scheibe zu Teilchen-Wirbelströmen umformen und damit die Wirbelstrom-Abstoßung, -Erwärmung, und -Verluste stark vermindern.
4.4 Abschirmwirkung im doppe'räu igen Λ U__I_:_„ . S.... nU9 illlllI"V7CIIOU36
Wird die FKM bei Hochfrequenz betrieben, so kann z.B. zusätzlich eine elektrisch hochleitende Schicht verwendet werden, insbesondere bei den doppelräumigen Abschirmgehäusen.
In dieser Abschirmung entstehen Wirbelströme, deren Magnetfeld dem abzuschirmenden Wechselfeld immer entgegengesetzt ist. Durch das Abschirmblech kann deshalb kein Störfeld (EMV) nach außen dringen, ebensowenig kann ein magnetisches Wechsεlfeld von außen die Spule / das System im Inneren beeinflussen. 4.5 Elektrische Anti-Wirbelstrom-Prinzipien
4.5.1 Ziel
Das elektrische Anti-Wirbelstrom-Prinzip setzt bei der Entstehung der Wirbelströme an, d.h. an den freien negativen Ladungen im metallischen Leiter, also den Leitungselektronen. Diese Prinzipien können zusätzlich zu den mechanischen Prinzipien angewendet werden.
4.5.2 Elektrische Anti-Wirbelstrom-Konstruktion 4.5.2.1 Kinematischer FM Beim kinematischen FM müssen zwei Kräfte eliminiert werden: a) Longitudinale Kräfte, die durch die Lenz-Regel entstehen, b) bremsende transversale Kräfte, die durch die transversale FM-Oszillation entstehen, vornehmlich bei OT-Stellung, wenn die PM's dicht beieinander sind und der FM geöffnet wird.
Beide Kräfte entstehen durch Kreis- bzw. Wirbelströme, deren Ursache die Bewegung der negativen Elektronen im positiven lonengitter ist. Die elektrische Eliminierung der Ursache = "Anti-Wirbelstrom" basiert zunächst auf Entfernung der Elektronen aus dem Wirkungsraum der Permanentmagnet- Felder im FM.
4.5.2.1.2 Konstruktion des kinematischen FM mit elektrischem Anti-Wirbelstrom-Prinzip (Fig. 37) 1. Schritt: Elektrische Isolation des FM
Der FM wird, je nach Bauart (1 FM, oder wegen Impulserhaltung 2 FM) zur Übertragung der Oszillation, mit elektrisch isolierenden Stäben mechanisch befestigt. Dadurch können keine Leitungselektronen zum FM nachfließen. 2. Schritt: Influenz durch Ladungstrennung
-→ Reduktion der Lenz-Kraft (Ursache: Lorenz-Kraft)
Der FM wird innerhalb eines elektrischen Feldes positioniert. Das elektrische Feld durch eine Hochspannungsquelle oder, wenn es von der Höhe der Spannung her ausreicht, durch ein permanentes Feld eines ferroelektrischen Stoffes (Elektret) zur Ladungstrennung erzeugt.
Durch Influenz entsteht im mitteleren Bereich eine neutrale Zone, die frei von elektrischen Ladungen, den Leitungselektronen (Elektronen-Gas), ist. Dieses neutrale Gebiet wird von den Magnetfeldern der antiparaliel orientierten PM's durchsetzt. Da dieses B-Feld keine Leitungselektronen vorfindet, kann eine longitudinale Kraft (Anziehung/Abstoßung) gemäß Lenz-Regel kaum auftreten, insbesondere auch dann, wenn die PM's in paralleler und nicht in antiparalleler Spinstellung orientiert sind. Da positive Ladung "ortsfestes lonengitter ohne Leitungselektronen" bedeutet, könnte der PM auch im Gebiet der positiven Ladung positioniert sein - es entstehen keine Wirbelströme wegen der in diesem Gebiet fehlenden Leitungselektronen, denn der Wirbelstrom entsteht durch Bewegung von Elektronen. Die Leitungselektronen sitzen auf der äußeren Oberfläche des FM bzw. der Lamellierungsbleche im negativen Gebiet.
Die Größe der influenzierten Elektrizitätsmengen hängt von der Stärke des influenzierenden Feldes als auch von der Form und Größe des FM ab.
3. Schritt: Ladungsüberführung
Erfindungsgemäß wird dafür gesorgt, daß sich die influenzierten Elektronen in einem a) metallischen Trichter mit einer Spitze sammeln, so daß sie mit einer der Spitze gegenüberliegenden Messerschneide - entlang der Oszillationsstrecke des FM - ständig durch kontaktlose Überführung mit vollständiger Ladungstrennung geerdet abgeleitet werden, oder in einer Leidener Flasche als Hochspannungskondensator zur Energiespeicherung, oder in einem Kondensator - je nach Spähnungshöhe - gespeichert werden können. b) Wenn statt eines Trichters eine der Oszillationsrichtung parallele Begrenzungsfläche des FM existiert, so kann man statt eine, viele Nadeln oder viele Messer zur Ladungsüberführung benutzen (Parallelschaltung).
Insgesamt erreicht man so eine positive Ladung des FM, d.h. nur noch das ortsfeste lonengitter des FM mit positiver Ladung ist übrig und erzeugt praktisch keine Wirbelströme im B-Feld, wenn die Anzahl der Leitungselektronen minimiert ist. Je nach Höhe des positiven Potentials sind entsprechend viele Leitungseiektronen überführt (→ Ergiebigkeit der Ladungstrennung).
Desweiteren können im Fall a) die Leitungselektronen bei der Bewegung des FM kaum Wirbelströme mit induziertem Magnetfeld erzeugen, da sie erstens sich in einem Trichter befinden, in dem die Beschleunigungsstrecke eingeengt ist (ohne Trichter bei paralleler Begrenzungsebene können die Leitungselektronen frei im Metall beschleunigt und abgebremst werden) und zweitens werden sie ja durch Ladungstrennung weitgehend aus der Beschieunigungsstrecke entfernt.
4. Schritt: Transversale Bremskraft = Beschleunigungskraft (Fig. 38) 4.1 Als ersten Schritt können wir das inhomogene Feld so gestalten, daß die beiden Kraftvektoren der Lorentz-Kraft auf dem Kreisstrom, d.h. der größeren Kraft an der Front und der kleineren Kraft am Ende des FM, gleich sind → Symmetrie, also Bremsung und Beschleunigung sich gegenseitig aufheben. Dies bedeutet eine Feld-Kennlinie in transversaler Richtung = außen stärkeres Feld als innen. →Rotation des FM statt Oszillation, wegen asymmetrischem Profil.
4.2 Ein zweiter Schritt ist durch die transversale Zunahme der Materialbreite der durch die longitudinale Spalte getrennten Lamellenbleche mit Rest als Stege (zur Unterbrechung der Stromwirbel) in den gegenseitig isolierten dünnen La eüenblechen gegeben: So entsteht in einem schmalen Steg bei der Bremsstetle ein relativ kleiner "großer" Wirbelstrom mit relativ kleiner Bremskraft und am transversalen Ende des FM (= Anfang des PM-Feldes) der relativ große "kleine" Wirbelstrom mit entsprechend relativ großer Beschleunigungskraft, so daß sich beide Kräfte - die nun relativ kleinere Bremskraft mit der relativ größeren Beschleunigungskraft - gegenseitig aufheben können (Symmetrie → im Gleichgewicht stehen). Option: →Rotation des FM statt Oszillation, wegen asymmetrischem Profi!. 4.3 Auch die Stegdicke der Lammellenbleche kann als ein Profil derart ausgebildet werden, daß die im Steg lokal bremsenden Wirbelströme an der Vorderkante des Stegs - aufgrund eines Keilprofiles - relativ viel kleiner sind, als die nun relativ stärker beschleunigenden Wirbelströme am dickeren Keilende des Stegs, weil sich in voluminös mehr leitendem Material die Wirbelströme stärker ausbilden können. Die Profil- und damit die Dickenfunktion regelt das Verhältnis von Brems- zu Beschleunigungskraft. Option: -→Rotation des FM statt Oszillation, wegen asymmetrischem Profil. 4.4 " Insgesamt werden die Bleche mit den "Schlitzen so isoliert ineinander verschränkt geschichtet, daß nur kleine Lücken für das B-Feld der PM's entstehen können - anders als die versetze Lösung, bei der der FM (wegen der versetzten Schlitze) doppelt so dick würde. 4.5 Anti-Wirbelstrom-Konstruktion
4.5.1 Anti-Lorentz-Prinzip: Tangential-/Radialkräfte-Gleichgewicht mit Rechteck- Gradienten-Leiterschleife In transversal inhomogenen Feldern entstehen verschiedene Kräfte an der Front und am Ende des induzierten Wirbelstromr/r?gs in einem FM-Leiter, wenn dieser sich tangential und relativ zum PM-Feld bewegt. Beachte antiparallel orientierte PM's: daraus resultieren entgegengesetzt gerichtete Wirbelstromringe im zum jeweiligen PM orientierten FM-Blech. In einem homogenen Feld tritt kein Unterschied der Kräfte zwischen Front und Ende auf, weil das Magnetfeld keinen Gradienten besitzt. Bei inhomogenen Feldern ist der Feldgradient für die konstruktive Auslegung zur Kompensation mit verschiedenen Leiter-Querschnitte (Stege) und spez. elektr. Widerstand an Front und Ende des FM maßgebend. Erfindungsgemäß kann z.B. an der Frontseite des Wirbelstromrings ein dünnes geschlitztes Blech mit hohem spez. elektr. Widerstand (→ kleine Volumen-Wirbelströme) und am Ende ein dickes geschlitztes Bleche mit niedrigem spez. elektr. Widerstand (→ große Volumen-Wirbelströme) angeordnet sein. Durch diese Konstruktion wird die bremsende durch die beschleunigende Wirbelstromkomponente kompensiert. Die Konstruktion in Relation zum Wirbelstrom ring entspricht erfindungsgemäß einer rechteckigen Gradienten-Leiterschleife in dem die gegenüberliegenden Seiten (Front - Ende) dieser Rechteckschleife ein Paar von Stromelementen mit entgegengesetzten Stromrichtungen bilden - die Wirbelströme müssen bei Kompensation zum Gleichgewicht gleich sein.die verschiedenen Leiterquerschnitte (Front/Ende) (Elektronenmenge im Volumen) und die verschiedenen spez. elekt. Leitfähigkeiten sollen in ihrer kompensierenden Stromwirkung dem tangentialen Feldgradienten entsprechen, d.h. der tangentialen Vektor-Potentialdifferenz (magnetische Spannung Θι2=Um12). Um auch im Einzelsteg diese Gleichgewichtsbedingung zu erhalten, muß dieser als keilförmiger Einzelsteg mit Wirbelstromr/ngp (= Toms mit zwei asymmetrischen Leiter-Ästen: Front-Ende) konstruiert sein (keilförmige Einzelsteg-Leiter-Querschnittsfläche), so daß die bremsenden und beschleunigenden Kräfte in der Einzelsteg-Unterschleife gleich sind. Die Wirkung der Kompensations-Konstruktion ist so, als würde die Leiterschleife in einem homogenen Feld (ohne Feld-Gradient) bewegt: Die Kraft-Wirkungen der Wirbelstromäste sind gleich stark - trotz Vektor-Potentialdifferenz. Die Konstruktion der Leiterschleife mit obigen Anti-Wirbelstrom-Prinzip kann auch unter dem Winkel 9 zurz-Achse angewendet werden, z.B. auch in Normalenrichtung; dabei ist eine andere Vektor-Potentialfunktion Br(& ) mit einem anderen Potentialunterschied (Spannung) für Front und Ende zu berücksichtigen.
4.5.2 Anti-Lenz-Prinzip: Normalkräfte-Gleichgewicht In hintereinander liegenden Leiterschleifen entstehen in der gleichen Umlaufrichtung induzierte Wirbelstromringe, die auch kompensiert werden können. In den in der Normalenrichtung hintereinander angeordneten Leiterschleifen (FM-Bleche) ist die Richtung der induzierten Wirbelströme und ihrer Magnetfelder, die der Induktionsursache entgegenwirken, gleich, deshalb können zu ihrer Kompensation nachfolgende erfindungsgemäße Varianten eingesetzt werden: 1. Entgegengesetzt gerichtete Ströme mit positiver Ladung: a) In äußerer oder innerer Leiterschleife negative Ladungsträger und b) in innerer oder äußerer Leiterschleife positive Ladungsträgerart. Die positiven Ströme entstehen durch positive Ladung bzw. positive Ladungsträger. Varianten mit positiven Ladungsträgern (→ unipolare Ströme) 2. Unipolare Ströme in Flüssigkeiten. a) Kolloidale Lösungen: positive oder negative Teilchen. Die kolloidalen Teilchen sind entweder positiv oder negativ geladen; Die entgegengesetzt gleichen Ladungen befinden sich dann im angrenzenden Wasser. Wenn ein Nichtleiter (Nichtelektrolyt) vorhanden ist, so lädt sich der Stoff mit der höheren Dielektrizitätskonstante positiv auf. b) Abstoßende Kraft in Richtung abnehmender Feldstärke, Teilchen hat kleinere Dielektrizitätskonstante als die Umgebung; Teilchen hat kleinere Permittivität als das Vakuum. c) Es können auch elektronische Halbleiter verwendet werden. Nβ-Leiterschleife (negative Elektronenleitung) und Pe- eiterschleife (positive Löcherleitung) → Unipolar-Halbleiterschieifen.
Die Elektronen leitende Leiterschleife im Magnetfeld zu drehen / ver- schieben kostet Arbeit; diese kann durch die o.g. Prinzipien simultan kompensiert werden.
Abschirmung zwischen negativen und positiver» Leltersch'eifen:
Falls die gegenseitige Beeinflussung (Interferenz) des Pe- bzw. Ne-Leiterschleifen-Ströms - und damit die gegenseitige Kompensation der links- bzw. rechtsdrehenden induzierten Wirbelstromringe - durch das jeweils entgegengesetzt orientierte induzierte Magnetfeld des anderen Leiterstroms verhindert werden soll (beachte gegenseitigen Abstand der Leiterwegen Br(« ) der Leiterschleife), kann eine magnetische Abschirmung (magn. Isolation = Dimagnetikum) zwischen den negativen und positiven Leiterschleifen eingesetzt werden, so daQ> nur die Kompensationswirkung, relativ zum induzierenden Primärmagnetfeld, das die Richtung der induzierten Ströme und Lenz-Kräfte erzeugt, zur Wirkung kommt. Durch diese Konstruktion werden Ströme in der Pe- und Ne-Leiterschleife induziert (was bei einem Generator/Motor erwünscht ist), aber die Lenz-Kräfte in Normalenrichtung von den Leitern zum PM werden kompensiert, denn in diesem Fall wird die Richtung PM zum Leiter zur Induzierung und Richtung des Stromtransports benötigt. Richtungsabhängige Abschirmung:
Es kann auch eine richtungsabhängige Abschirmung angewendet werden für den Fall, daß zur Induktion und Stromtransport nur die Feidrichtung PM → Leiterschleifen , aber nicht die umgekehrte Feldrichtung Leiterschleifen → PM erwünscht ist, weil diese die Lenzkräfte erzeugen.
Erfindungsgemäße Lösungen 1. Eigenkompensation paralleler Leiter Lineares Leiterstück (Steg im Feldmodulator) Die mechanische Bewegung eines linearen Leiterstücks, senkrecht zu seiner Länge, mit der Geschwindigkeit vι führt zu einer Kraft Fq auf die Ladungsträger, die gleichbedeutend mit dem Auftreten einer induzierten elektrischen Feldstärke E m ist.
Es gibt zwei verschiedene Wirkungen der Lorentz-Kraft auf Leitungselektronen:
Figure imgf000043_0001
Bei gleichgerichteten Strömen in Leitern erfolgt eine Schwächung des Feldes zwischen den Leitern, so daß die Rückwirkung des induzierten Magnetfeldes zum Primärmagnetfeld - entsprechend der Leitfähigkeit und Querschnitt des Leiters - neutralisiert wird. Die parallelen Leiter können als Leiterschleife ausgebildet werden: a) Stromrücklauf-Ast außerhalb des Primärmagnetfeldes, oder b) Abschirmung des induzierten Magnetfeldes des Stromrücklauf- Astes innerhalb des Primärfeldgebietes, z.B. mit Weichferriten.
2. Negative und positive Leiterschleifen (L) Kompensation von negativem Wirbelfeld mit positivem Wirbelfeld in Relation zum PM-Feld. 3. Magnetische Äbschirrriuhg (A) zwischen den Leiterschleifeh (L) Gegenseitige Beeinflussung: Beachte Abstand zwischen den I aitsrschleifen. Beachte konstruktive Festlegung des a) Entmagnetisierungsfaktors (Länge zu Breite = Formanisotropie) und/oder b) der Kristallanisotropie und andere Anisotropien in der Abschirmungs-Schicht, um den Fluß zu leiten oder zu sperren (→ Konstruktion siehe lsotropie-/Anisotopie-FM und -PS). 4. Magnetisch richtungsabhängige Abschirmung (A)/Transluzenz zwischen den Leiterschleifen und dem PM a) Magnetische Feld-Halbleiter-Dioden-Schicht zwischen PM und negativer (Ne) und/oder positiver (Pθ) Leiterschleife. Flußquanten nur von PM Richtung Leiterschleifen → induzierte Felder in L wirken nicht zurück auf den PM. (→ Magnetronik und) b) Magnetischer Spiegel mit periodisch magnetischer Brechungsindexmodulation zwischen PM und L. c) Magnetischer Resonator (magnetische Interferometer) mit magnetisch kohärentem Fluß zwischen PM und L (die magnetischen Spiegeloberflächen müssen der Krümmung des Magnetfeldes, d.h. den gekrümmten Wellenfronten des Magnetstrahles Br(.9) genau angepaßt sein).
5. Magnetische Kompensation a) Bei Geschwindikeit v der Leiterschleife Richtung weg vom Magnetpol → magn. Anziehung zwischen L und PM. - Kompensation durch magnetisch positive Energie/Kapazität (Diamagnetikum) → Abstoßung. Beachte den Unterschied: Magnetikum (= magn. Leiter) beseitigt die Anziehung, Dimagnetikum (magn. Nichtleiter = Isolator) dagegen nicht, Diamagnetikum bewirkt eine Abstoßung. - Kompensation durch abstoßendes "Antifeld". b) Bei Geschwindikeit v der Leiterschleife Richtung Magnetpol → magn. Abstoßung zwischen L und PM. - Kompensation durch magnetisch negative Energie/Kapazität (Dimagnetikum) → Anziehung. - Kompensation durch anziehendes "Antifeld". Die Kompensation der Arbeit kann auch nacheinander (seriell) vorgenommen werden, indem jeweils nur eine Leiterart aktiv ist und bewegt wird - die Summe der Arbeit WN + Wp ist gleich null. Durch die o.g. Prinzipien ist der Bau von Elektrogeneratoren und
Motoren mit höherem Wirkungsgrad möglich.
Leiterschleifen Anti-Lenz-Prinzip
FM-Blech als Leiterschleife: Bei einer z.B. rechteck-förmig geschlossenen Leiterschleife, die parallel zum B-Feld liegt (α=90°), würden bei einer linearen Bewegung der Schleife senkrecht zu einem homogenen B-Feld die Induktionsspannung erten E-Felder bei der Integration über die Schleife null ergeben. Bleibt die Schleife in ihrer Lage stationär, z.B. unter Winkel α=90° oder
45°, wird also nicht gedreht, und der Magnet mit seinem inhomogenen Feld bewegt sich relativ zur Leiterschleife, so tritt folgende Wirkung ein: Es wird eine Ringspannung induziert mit einem Wirbelstromring in der Schleife aufgrund des sich zeitlich ändernden und inhomogenen B-Feldes, welches wiederum auf den Ästen der Schleife bei verschiedenem B-Betrag ein instatinnärss inhomogenes
Figure imgf000045_0001
Magnetfeld mit magnetischem Moment erzeugt.
Wirbeistromring mit Kompensation der Kräfte bei Front und Ende der Leiterschleife
Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld: Die Richtung von B ist die Richtung des magnetischen Flußes. Sind die magnetischen Feldlinien unter einem Winkel α zur Flächennormalen geneigt, so ist nur die Flußdichte senkrecht zur Fläche B cos α maßgebend .
Die Kraft F auf einen stromdurchflossenen Leiter der Länge I in einem Magnetfeld B wirkt senkrecht zur Fläche, die von den Vektoren I und B aufgespannt wird.
Die Lorentz-Kraft ist maximal, wenn v und B senkrecht zueinander stehen und null, wenn sich die Ladungsträger in Richtung des magnetischen Feldes bewegen. Bei einer Leiterschleife unter Winkel α=0° hat das zur Folge, daß die gegenüberliegenden Kräfte entgegengesetzt radial nach außen wirken (= Abstoßung mit Verstärkung des Feldes innerhalb der Leiterschleife); bei einem Winkel der Leiterschleife unter α=45° sind die Kraftvektoren entgegengesetzt unter α=45° gerichtet. Die im mathematisch negativen Sinne umlaufenden Feldlinien des stromdurchflossenen Leiters überlagern sich mit den vom Nord- zum Südpol laufenden Feldlinien des Magneten.
Das resultierende Feld hat in diesem Fall eine Feldlinienver//c/?fü?g auf der linken und eine Feldliniem/erαϊ/n/wng/ auf der rechten Seite. Auf den Leiter wird eine Kraft in Richtung der Fe\dverdünnung (nach rechts) wirksam (Lorentz-Kraft). Bei in positivem Sinne umlaufenden Feldlinien entsteht die Feldverdünnung auf der linken Seite; die Lorentz-Kraft wirkt in diesem Fall nach links.
Durch den induzierten Stromfluß in der Leiterschleife (Wirbelstromring) entsteht ein magnetischer Nord- und Südpol, dessen Polstärke Φ bei Leiterschleifenlage zu B im Winkel α=0° maximal und bei α=90° null ist. Die Front- und End- Äste der Leiterschleife unter α=45° können in ihrerQuerschnittsfläche und/oder spez: elektr. Widerstand so variiert werden, daß die entgegengesetzten Kräfte der Front-/End-Ästen sich kompensieren.
Durch die Leiterschleifenlage bei α= 45° wird auch eine Wirbeistromring-Komponente mit Stromtransport I und Umlaufsinn parallel zum B-Feld erzeugt. Die Komponenten der Lorentz-Kräfte auf den Ästen dieses zu B schrägen Wirbelstromrings liegen auf dem jeweiligen Potentialniveau und können mit den Kompensations-Prinzipien der Änderung des FronWEnd-Leiterquerschnitts (mehr Elektronen → größerer Strom) und/oder der spez. elektr. Leitfähigkeit und/oder mit einem regelbaren Spannungs-/Stromventil das Gleichgewicht herbeiführen, so daß in Normalenrichtung Fι-F2=0 beträgt.
Bei Geschwindigkeit v der Leiterschleife Richtung magnetischer Nordpol (Normalenrichtung), oder Magnet mit v Richtung Leiterschleife, liegt in der
Schnittebene zur Leiterschleife die in tangentialer Richtung bremsende Frontkraftkomponente F2 auf Potentialniveau B2 und die beschleunigende Endkraftkomponente Fi auf Potentialniveau Bi. Die Leiterschleife kann vorzugsweise aus vielen parallelen einzel-
Leiterschleifen, schräg zum B-Feld (α= 45°) bestehen.
Folge: Keine Lenz-Kräfte in Normalenrichtung trotz Lorentz-Kräfte. Durch die Kompensations-Konstruktion der Leiterschleifen-Äste sind dies quasi wechselwirkungsfreie Wirbelstromringe.
Man kann noch weiter gehen und im inhomogenen Feld die beschleunigende Kraft Fi am Wirbelstromring-Ende so verstärken, daß sie größer ist als die bremsende Kraft F2 an der Wirbelstromfront.
Verallgemeinerung der Prinzipien
Diese vorgenannten Prinzipien lassen sich erfindungsgemäß analog auf alle in Transversal- und Normalrichtung inhomogene Felder anwenden. Wir bezeichen verallgemeinert ein Potentialfeld als X-Feld und ein Wirbelfeld als Z-Feld (Z=Zirkulation), weil die Gesetzmäßigkeiten der Potentialtheorie und Wirbeltheorie analog auf alle konkreten Feldarten anwendbar sind.
Entstehung eines Wirbelfeides Ein inhomogenes Feld (z.B. Strömung oder Magnetfeld etc.) enthält immer Wirbel, denn die Rotation beginntdort, wo sich das Potential (z.B. Geschwindigkeitspotential v, oder magnetisches Potential Br(« ), etc. ) quer zu seiner eigenen Richtung ändert. Also bei: Quer-Kraftprofil oder Quer-Magnetfeldprofil oder Quer-Geschwindigkeitsprofil, oder verallgemeinert Quer-X- bzw.
Z-Feldprofil; sein Gradient bestimmt die zum Verschieben nötige Kraft. Auch bei einem Wirbelfeld ist ein Quer-Profil vorhanden (z.B. radiale Geschwindigkeits- oder Kraftänderung, vgl. Lorentzkraft, Corioliskraft, etc.)
An einer Grenzschicht entsteht immer Reibung, auch beim elektrischen oder magnetischen etc. Feld. Folge: Entstehung von Wirbeln durch elektromagnetische Reibung an den Atomen, Ionen, Molekülen, mit der Folge eines X- bzw. Z-Profils.
Wirbelstromring, Zirkulationsbegriff, Magnetisches Wirbelfeld
Rings um ein magn. Wirbelfeld (Wirbelstromring I) treibt die PM- Feid-Strömuπg/Feld-Fiuß Φ (die Flußquanten Φo) die Zirkulation ständig an. Für einen solchen Weg ist die Zirkulation Z= v-ds≠0. Anders auf einem geschlossenen Weg, der den Wirbel nicht umschließt. Dort herrscht ein Potentialfeld oder Potentialströmung, d.h. auf einem solchen Weg ist Z=0. Ein kreisförmiger Weg um ein rotationssymmetrischen Wirbel liefert Z=2πrv. Die Bedeutung des Zirkulationsbegriffs liegt vor allem darin, daß er die
Kräfte gwerzur Strömungs-/Feldrichtung beschreibt, die den dynamische Auftrieb ergeben.
Es wird z.B. die Feldstärke (E, D, H, B) alternativ als Beschleunigung (so wie die Gravitationsfeldstärke g) beschrieben und die
Strömung dieser elektromagnetischen Felder erfolgt mit Lichtgeschwindigkeit bzw. Phasengeschwindigkeit, bzw. Gruppengeschwindigkeit. Die Auftriebskraft FA wirkt bei gleichgerichteter Zirkulation entgegen der
Lorentz-Kraft F .
Vgl. Umströmung eines rotierenden elektrisch leitenden Zylinders mit magnetischem Wirbelfeld um einen elektrischem Wirbelstromring mit magn. Magnuseffekt. Potentialtheorie und Wirbeltheorie analog auf alle konkreten Feldarten anwendbar sind.
Entstehung eines Wirbelfeldes Ein inhomogenes Feld (z.B. Strömung oder Magnetfeld etc.) enthält immer Wirbel, denn die Rotation beginnt dort, wo sich das Potential (z.B. Geschwindigkeitspotential v, oder magnetisches Potential Br(3), etc. ) quer zu seiner eigenen Richtung ändert. Also bei: Quer-Kraftprofil oder Quer-Magnetfeldprofil oder Quer-Geschwindigkeitsprofil, oder verallgemeinert Quer-X- bzw.
Z-Feldprofil; sein Gradient bestimmt die zum Verschieben nötige Kraft. Auch bei einem Wirbelfeld ist ein Quer-Profil vorhanden (z.B. radiale Geschwindigkeits- oder Kraftänderung* vgl. Lorentzkraft, Corioliskraft, etc.)
An einer Grenzschicht entsteht immer Reibung, auch beim elektrischen oder magnetischen etc. Feld. Folge: Entstehung von Wirbeln durch elektromagnetische Reibung an den Atomen, Ionen, Molekülen, mit der Folge eines X- bzw. Z-Profiis.
Wirbelstromring, Zirkulationsbegriff, Magnetisches Wirbelfeld
Rings um ein magn. Wirbelfeld (Wirbelstromring I) treibt die PM- Feld-Strömung/Feld-Fluß Φ (die Flußquanten Φo) die Zirkulation ständig an. Für einen solchen Weg ist die Zirkulation Z-§ v ds≠O. Anders auf einem geschlossenen Weg, der den Wirbel nicht umschließt. Dort herrscht ein Potentialfeld oder Potentialströmung, d.h. auf einem solchen Weg ist Z=0. Ein kreisförmiger Weg um ein rotationssymmetrischen Wirbel liefert Z=2τrrv. Die Bedeutung des Zirkulationsbegriffs liegt vor allem darin, daß er die
Kräfte quer zur Strömungs-/Feldrichtung beschreibt, die den dynamische Auftrieb ergeben.
Es wird z.B. die Feldstärke (E, D, H, B) alternativ als Beschleunigung (so wie die Gravitationsfeldstärke g) beschrieben und die
Strömung dieser elektromagnetischen Felder erfolgt mit Lichtgeschwindigkeit bzw. Phasengeschwindigkeit, bzw. Gruppengeschwindigkeit. Die Auftriebskraft FA wirkt bei gleichgerichteter Zirkulation entgegen der
Lorentz-Kraft FL.
Vgl. Umströmung eines rotierenden elektrisch leitenden Zylinders mit magnetischem Wirbelfeld um einen elektrischem Wirbelstromring mit magn. Magnuseffekt. Laminare homogene - turbulente/inhomogene Feld-Strömung/Feld-Fluß Φ Definition Kräfte: Reibungswiderstandskraft FR Druckwiderstandskraft FD Gesamte Widerstandskraft FWSF +FD Fw nimmt quadratisch mit der Feld-Strömungsgeschwindigkeit / Feld-Flußgeschwindigkeit zu. Nach einer bestimmten "Lauflänge" entlang eines elektromagnetischen Körpers wird die Feld-Grenzschicht turbulent. Der Umschlagpunkt hängt von der Form der elektromagnetischen Körpervorderkante, aber auch von der Rauigkeit der Oberfläche ab. " Feld-Strάmliriienkörper Die Geometrie eines Feld-Stromlinienkörpers hat die Besonderheit, daß der Druckabfall entlang des Feld-Körpers so langsam stattfindet, daß keine Feld-Wirbel auftreten können. → Ausbildung eines elektromagnetischen Feld-Stromlinienkörpers. Beachte Grenzschicht D, innerhalb der die Feld-Strömungsgeschwindigkeit von v=0 auf den vollen Wert ansteigt. Es bildet sich im vorderen Teil des Feld-Stromlinienkörpers zunächst eine laminare Grenzschicht aus. In diesem Bereich werden die Flußquanten beschleunigt. Bei weiterer Feld-Strömung entlang des FKM-Feldkörpers nimmt der Feld-Strömungsdruck zu, so daß wegen der jetzt beginnenden Verzögerung der strömenden Flußquanten eine Feld-Wirbelbildung einsetzt. Es entsteht aus einer laminaren Grenzschicht eine turbulente Feld-Strömung (laminare Unterschicht, turbulente Oberschicht). Kraft am durch Feld-Fluß umströmten Feld-Körper (Leiter mit Wirbelfeld) Treten bei der Feld-Umströmung von Körpern auf der konvexen Seite höhere Feld-Strömungsgeschwindigkeiten als auf der gegenüberliegenden konkaven Seite auf, so hat dies zur Folge (analog Bernoulli-Gleichung), daß an der konvexen Seite ein Feld- Unterdruckgebiet und an der konkaven Seite ein Feld-Überdruckgebiet entsteht. Aus diesem Grund wird eine dynamische Kraft FA quer zur Feld-Strömungsrichtung und in Richtung der konvexen Seite wirksam, die analog zur Druckkraft FD formuliert wird. Diese Kraft FA (Richtung konvexe Seite) ist der Lorentz-Kraft F (Richtung konkave Seite) entgegengelichtet, wenn die Zirkulationsrichtung der Feldströmung im gleichen Sinne orientiert ist wie die Zirkulationsrichtung des Magnetfeldes:
Figure imgf000049_0001
Auf der konvexen Seite ergibt sich: +FA, → → p Auf der konkaven Seite ergibt sich: -FA, ^ → ^V → p Mit FA kann FL kompensiert werden. Auch kann durch eine der magnetischen Induktionszirkulation entgegengerichtete Zirkulation der Feld-Strömung die abstoßende Lenz-Kraft des im Leiter induzierten Magnetfeldes auf das induzierende Magnetfeld des PM kompensiert werden; in diesem Fall zeigt die konvexe Seite des Feldkörpers Richtung Lorentz-Kraft. Die Kraft wirkt in Richtung Unterdruckgebiet (Feldverdünnung) = höhere Strömungsgeschwindigkeit; gegenüberliegend ist das Überdruckgebiet. Beachte Profil (Feld-Strömungskörper mit FA=0, "Auftriebs"-Körper mit FA≠0). "Auftriebs"-kraft FA und Widerstandskraft Fw ergeben vektoriell addiert die resultierende Kraft F0=FA+FW- Die Richtung der "Zirkulation" der Feld-Strömung wird durch die Richtung der konvexen Seite zum Magnetfeldfluß Φ bestimmt. "Elektromagnetischer Flügel" Die langgezogene Tropfenform des Feld-Körperprofils ("Flügel") setzt den Feld-Anströmwiderstand stark herab^Gleichzeitig aber behindert die Wölbung des Feld-Körpers mit der scharfen Hinterkante den "links herum" laufenden Feldwirbel des Feld-Wirbelpaares erheblich stärker als den anderen und nötigt ihn zum Abreißen. Der Rechts Feldwirbel bleibt hängen und überlagert sich der anströmenden Potentialströmung. Genau der gleiche Effekt entsteht in anderen inhomogenen Potential- und Wirbelfeldern.
5. Schritt: Elektrischen Widerstand erhöhen
Im Betrieb wird der FM wärmer, so daß sich der spez. elektr. Widerstand beim FM-Metall erhöht (bei FM-M-Halbleitern umgekehrt)
→ kleinere Wirbelströme → kleinere Lorentz-Kräfte.
Optionen
Die anderen Effekte, wie Magnetoresistenz, Druckabhängigkeit des Widerstandes und elektrische- Wärmeleitfähigkeit können sinnvoll kombiniert werden - wenn es geht, immer im Prinzip der Gleichgewichtskompensation.
4.5.2.2 Stationärer FM
Für den stationären FM gelten alle Schritte 1.-4.4 (jedoch ohne 4.1-4.3) und 5. Nur die longitudinalen Lorentz-Kräfte, die bei der Lenz-Regel entstehen, sind zu minimieren/eliminieren; tangentiale Lorentz-Brems- und Beschleunigungskräfte treten wegen der fehlenden transversalen Bewegung des FM nicht auf. Auch die in 3. genannte Beschleunigung/Verzögerung der Elektronen bei Oszillation des stationären FM fällt weg. Im Falle des magnetischen M-Halbleiter ist der umgekehrt temperaturabhängige Widerstand zu beachten.
4.5.2.3 Konstruktion des kinematischen FM mit magnetischem Anti- Wirbelstrom-Prinzip (Fig. 39)
→ Ladungsverschiebung durch Induktion: Die Existenz einer Induktionsfeldstärke längs eines bewegten Leiterstücks, das nicht Teil eines Stromkreises ist, führt zu Ladungsverschiebungen (Influenz) bis zur Kompensation der Iπduktrσnsfeldstärke. In einem Metallstück resultiert daraus ein "Elektronenüberschuß" auf der einen und ein "Elektronenmangel" auf der anderen Seite. → Induktionsfeldstärke längs des sich bewegenden FM → Transversal-! nfluenz. Die elektrische (Ursache E-Feld) und magnetische Influenz (Ursache Induktion) kann bei richtiger Orientierung der Pole und Bewegungsrichtung des FM zusammengelegt werden, sodaß die Wirkungen sich verktoriell addieren. Kinematischer FM: Influenz durch Induktionsstärke längs eines bewegten Leiters
= FM.
Bei FM-Oszillation kehrt sich die Influenzierung um, wenn die Bewegungsrichtung sich umkehrt; bei Kreisbewegung des FM mit Geschwindigkeit v ist immer die gleiche Richtung vorhanden, in der das B-Feld geschnitten wird.
- PM-Magnetfeld von vorn nach hinten mit parallel orientiertem Spinmoment der PM's.
- Bei antiparallelen Spinmomenten der PM's neutralisiert sich das B-Feld in der Symmetrieebene; auf den PM zugewandten FM-Oberflächen ist die Ladung umgekehrt influenziert (Richtung B-Feld anders)?
- Bei richtiger Orientierung ergänzen sich die E-Influenz mit B-Influenz; die Elektronen bzw. die Ladungen müssen auf derselben Seite sein
Kinematischer FM: Influenz durch Induktionsstärke längs eines bewegten Leiters = FM. Bei FM-Oszillation kehrt sich die Influenzierung um, wenn die
Bewegungsrichtung sich umkehrt; bei Kreisbewegung des FM mit Geschwindigkeit v ist immer die gleiche Richtung vorhanden, in der das B-Feld geschnitten wird.
- PM-Magnetfeld von vorn nach hinten mit parallel orientiertem Spinmoment der PM's.
- Bei antiparallelen Spinmomenten der PM's neutralisiert sich das B-Feld in der Symmetrieebene; auf den PM zugewandten FM-Oberflächen ist die Ladung umgekehrt influenziert (Richtung B-Feld anders).
- Bei richtiger Orientierung ergänzen sich die E-Influenz mit B-Influenz; die Elektronen bzw. die Ladungen müssen auf derselben Seite sein
4.5.2.4 Kombinierte Elektrische und magnetische Anti-Lorentz- Kraft-Prinzipien
Es gibt zwei Prinzipien: a) Magnetische und elektrische Influenz gleichgerichtet orientiert (Fig.40). 1. Das magnetostatische Feld treibt die Ladung mit der durch die Induktionsspannung Ejnd erzeugten Kraft Fq bei Bewegung des Leiters nach rechts und zur Mitte (siehe umgekehrte Flußrichtung des B-Feldes der jeweiligen Magnetpole), wenn sie nicht durch Blech-Isolation gehindert wird. 2. Das elektrostatische Feld treibt die Elektronen ebenfalls zur Mitte (siehe Anordnung der E-Pluspole), sodaß sie sich rechts am E-Minuspol konzentrieren (wenn sie nicht gehindert werden durch die longitudinale lamellierte Blechtrennung mit einer Isolationsschicht), sodann kann die Ladungsüberführung in der Mitte erfolgen. Das B-Feld kann in den Lamellen-Blechen transversal, senkrecht zur FM-Bewegung, und durch überlappte Flußübergänge zwischen den Stegen auch transversal, waagrecht = parallel zur FM-Bewegung, fließen. b) Elektrische und magnetische Influenz gekreuzt orientiert (Fig.41). 1. Das elektrostatische Fe\d treibt die Ladung schon vor der Bewegung des Leiters und außerhalb des B-Feldes im Steg nach unten; die Stege sind durch Schlitze getrennt (Stromunterbrechung) - es entsteht Influenz und eine neutrale Zone. 2. Das B-Feld kann deshalb - bei Bewegung des Leiters - die e-Ladung mit der durch die Induktionsspannung Eir,d erzeugten Kraft Fq nicht mehr zur Mitte (siehe umgekehrte Flußrichtung des B-Feldes der jeweiligen Magnetpole) und nicht nach rechts treiben, wenn die Ladungsträger, außer durch die neutrale Zone (erzeugt durch das E-Feld), durch eine longitudianale Trennung der Lamellenbleche mit Isolationsschicht daran gehindert werden (Fig. 42). Die Ladungstrennung erfolgt dann unten am E-Pluspol. Variante a: Fluß der Elektronen nach rechts zum E-Pluspol aufgrund der isolierenden Trennschichten nicht möglich, d.h. Bewegung der Elektronen nach rechts verhindert, sodaß sich die Lorentz-Kraft Fq, aufgrund des fehlenden Elektroneniußes im Leiter nach rechts (Bewegung der Elektronen im Leiter nicht möglich, weil die Ladung vorher aus diesem Gebiet entfernt wurde) erst gar nicht einstellen kann. Fq ist aber lokal in den isolierten Lamellen-Blechen vorhanden, wenn die Elektronen noch dort sind.
Variante b: Sollten noch Elektronen vorhanden sein, so können diese nur mit Fq nach rechts driften (induzierte Influenz), wenn eine Durchkontaktierung im Sinne eines Leiters der Länge I erfolgt ist. Diese könnten dann in der Mitte des FM durch eine Ladungsübertragung entfernt werden (FM ist positiv geladen).
Das B-Feld kann in den Lamellen-Blechen transversal, senkrecht zur FM-Bewegung, und durch überlappte Flußübergänge zwischen den Stegen auch transversal, waagrecht = parallel zur FM-Bewegung, fließen. Alle Prinzipien können auch bei longitundinaler Bewegungsrichtung der PM konstruktiv umgesetzt werden, wenn Lorentz-Kräfte auftreten.
4.5.2.5 Zusammenfassung
4.5.2.5.1 Kräfte bei bewegten Magneten und ruhendem FM Magnetfeld nicht zeitlich konstant (instationär), Lage des FM stationär.
FM ■ "Auf bei OT:
Wenn die PM's sich vom offenen FM entfernen, können keine Lorentz-Kräfte entstehen. FM a »zu" bei UT:
Wenn sich die PM's dem geschlossenen FM annähern (→ Gleichgewichtszustand), entstehen abstoßende Kräfte durch die in der PM-nahen FM-Front-Oberfläche induzierten Wirbelströme; in der Symmetrieebene des FM sind sie null, da sich die Ströme durch die antiparallelen PM's entgegengesetzt neutralisieren. FM = "Zu" bei OT:
Wenn sich die PM's vom geschlossenen FM entfernen, so entstehen anziehende Kräfte in der Front-Oberfläche des FM. Kommt nur vor, wenn die Maschine gebremst werden soll, dann ist der FM geschlossen bei Bewegung der PMs von OT-+UT.
4.5.2.5.2 Kräfte bei bewegtem FM (bewegter Leiter)
PM's in OT, FM öffnet oder schließt → Bewegung des FM mit seinen Leitern. Magnetfeld zeitlich konstant (stationär), Lage des FM instationär.
B-Feld, Leiter im FM und Leiter-/FM-Bewegung sind drei aufeinander senkrecht stehende Größen.
Bewegung des Leitungselektrons mit Ladung q entweder elektrisch, bewirkt durch ein E-Feld, entlang des Leiters oder mechanisch durch dessen Parällelverschieburig.
1. Kraft Fi auf einen stromdurchflossenen Leiter
Die (elektrische) Bewegung mit Ladungstransport-Geschwindigkeit vq im Feld B führt zu einer (mechanischen) Kraft Fi in transversaler Richtung auf den Leiter.
2. Kraft Fq auf Leitungselektronen
Die mechanische Bewegung des Leiters, senkrecht zu seiner Länge, mit der Geschwindigkeit V| führt zu einer Kraft Fq auf die Ladungsträger, die gleichbedeutend mit einer induzierten elektrischen Feldstärke EM ist: Fq ~ q Ejπ (- Lorentz-Kraft auf Leitungselektronen)
Die Induktionsfeldstärke längs des bewegten Leiterstücks, das nicht Teil eines Stromkreises ist, führt zu Ladungsverschiebung (Influenz) bis zur Kompensation der Induktionsfeldstärke. Im FM-Leiter resultiert daraus ein "Elektronenüberschuß" (= Elektronenanhäufung) auf der einen und ein "Elektronenmangel" auf der anderen Seite = Influenz.
Die influenzierte Ladung wird als Ladungstrennung verstanden und in einem überlagerten influenzierenden E-Feld mittels einer Spitze überführt; der Leiter soll positiv geladen sein.
5. FM-Schichtenaufbau / Lamellierung FM-Struktur
Im Gegensatz zur PS-Struktur stellt das FM-Blech den transversalen leitenden Fluß zwischen den Polen der antiparallel angeordneten PM's her. Die transversalen, dünnen (gegen Wirbelströme) FM-Bleche erhalten zusätzlich (außer der dünnen Blechdicke und ggf. Korπorieπtieruπg / Kristallorientierung, Formanisotropie) eine longitudinale Anti-Wirbelstrom-Struktur (Spalte in den Blechlamellen).
FM für kinematisch-passiven Einsatz (Transversalbewegung)
Es sind die wechselsinnig in transversaler Richtung geschichteten Blech-Kämme (mit Spalten) funktionsrelevant. D.h. die übereinander und in der Projektion die Anti-Wirbelstrom-Spalten abdeckenden Blech-Kämme, die ihrerseits senkrecht zur Blechebene, also in longitudinaler Richtung eine Anti-Wirbelstrom Spalten-Struktur besitzen, konstruktiv festzulegen.
Die Spalten-Struktur in den übereinander liegenden Blech-Kämmen muß in der nächsten darüber liegenden Blechebene so verschoben sein, daß kein magnetischer Fluß, ohne Überdeckung (Abschirmung) der Spalte der darunter befindlichen Blech-Kämme, den FM longitudinal direkt durchqueren kann: Die Überlappungslänge für transversalen Fluß muß konstruktiv berücksichtigt werden.
Für optimale Abschirmwirkung kann es notwendig sein, das FM-Material am Einsatzort (in situ) durch ein Wechselfeld abnehmender Amplitude zu entmagnetisieren (wenn der FM in Offen-Stellung steht). Lamellierung der FM-Scheibe
Schichtung (Fig.43)
Übereinander versetzte Blechlamellen, Spalten müssen verdeckt sein. Beachte Überlappungslänge mit transversalem Fluß. Bänder und Dicken unter 0,05 mm können zu Folienpakete verarbeitet werden. Danach lassen sich durch Funkenerosion Formteile schneiden.
- mechanisch-elektrische Unterdrückung von Wirbelströmen
- Lamellenflächen senkrecht zu den Wirbelströmen anordnen
- isolierende elektrische Oxidschicht zwischen den Lamellen
- plangeschliffene Stirnflächen, kleine Luftspalte zwischen den Blechen - wesentlich geringerer magnetischer Widerstand durch wechselsinnig geschichtete FM-Bleche (große Flächenberührung, Scherung: Luftspalt zwischen zwei FM-Blechebenen). Mindestabstand der Schichtung: a) = Dicke der Isolationsschicht, b) Trennschicht in longitudinaler Richtung wegen Mehrfachabschirmung (es multiplizieren sich die Einzelabschirmungen) Überlappungslänge bei der Schichtung beachten
- von einer bestimmten Luftspaltlänge an ist der magnetisch wirksame Spalt kleiner als der geometrische (Fluß nicht zwischen den geschliffenen Stirnflächen der Mittelstege, sondern über Parallelweg durch die Luft)
- Blechform bestimmt die Magnetisierungskennlinie, bei Legierungen mit magnetischer Vorzugsrichtung sind besondere Formen oder Schichtweisen erforderlich (U- und ED-Bleche mit verbreiterter Basis)
- magnetische Brechung der Feldlinien an Grenzflächen nutzen (magn. Brechungsindex)
- beachte geneigte Scherung der Hysterese
PS-Struktur
In den Polschuhen sind die Blechorientierungen ausschließlich parallel zur longitudinalen Richtung, also parallel zum zu überbrückenden Fluß im Luttspalt und damit senkrecht zu den Wirbelströmen; die PS überdecken nur die Pol-zu-Pol Verbindung zwischen den verschiedenen, antiparallelen, sich abstoßenden PM's. Bei den Polschuhen ist die Kristalianisotropie / Kornorientierung und die magnetischesehr Formanisotropie funktionsrelevant. 6. Transversalkraft-Kompensation
Ziel: FM- / PS- Arbeits-Kompensation im Gleichgewichts-Zustand bei OT. Transversal-Arbeits-Kompensation 7 isr.hΩn negativer Arbeit im PM-Feld plus positive Arbeit im Kompensator-Feld -ΣWf→O → |-Wt(PM)|+|+Wt(K)| →O → μm-+∞ bei OT Ferromagnetischer Stoff wird transversal ins Magnetfeld (PM's) hineingezogen.
Die Arbeit ist negativ = Verlust (-Wteu), wenn er aus dem PM-Feld herausgezogen wird (FM = Öffnen in Takt 1). Der Fall FM "Schließen" im PM-Nahfeld bei OT kommt nicht vor. Die Arbeit ist positiv (+Wab), wenn der FM in das Feld hineingezogen wird (FM = Schließen in Takt 3). Dieser starke
Kc pensations-Fall tritt aber bei OT nicht auf, weil der Schließvorgang im
3. Takt nur mit ganz geringem transversalem Kraftfeld stattfindet (die PM's sind zum FM im Fernfeld mit Hub-Abstand h/2). -- - - -
Zusammen = FM Öffnen im PM-Feld + FM Kompensieren im Kompensatorfeld - in der Systemeinheit PM's + K - kompensieren sich die bewegungsrichtungsabhängigen Teil-Arbeiten, wenn ein Gleichgewicht zwischen beiden Anteilen hergestellt wird. -Wt(PM)+Wt(K) → 0, deshalb r\m→°° bei OT
Dies ist nur möglich, wenn im 1. Takt ein transversales Gleichgewicht hergestellt und im 3. Takt keine transversale negative Arbeit beim FM-Sch!ießvorgang notwendig ist. Da das Kraftfeld der PM's im 3. Takt bezüglich FM ein Fernfeld ist, wird beim Schließvorgang positive Arbeit gewonnen, die man, wegen ihrer Kleinheit, kaum zur Kompensation der negativen Arbeit beim Öffnen des FM im 1. Takt heranziehen kann; formal wird sie jedoch berücksichtigt.
Allgemeine Kraftkomponenten auf FM-/PS-Bewegung 1. Ziel: 1. Magnetische Kraft (transversale Anziehung FM/PS durch PM)
2. Ziel: Reduktions-/Kompensatioπs-Optfm eπ/πg: [2. Elektrische Kraft (Lorentz-Kraft, Bremswirkung), Kompensation durch Anti-Wirbelstrom-SystemJ [λ Gravitationskraft (Masse ■ Beschleunigung), Kompensation durch Gegengewicht-Beschleunigung] [4. Mechanische Kraft (Reibung), Reduktion durch Magnet Luftlager, entscheidend ist Viskosität] [5. Thermo-Kraft] 1. Variante A: Stationär-aktive Kompensation von -Ft(s) = -Wt
Spule mit verstärkendem Kern
Die nachfolgenden Kompensations-Varianten können durch Spulen mit verstärkendem Kern realisiert werden. Allerdings wird dabei die negative Arbeit zum Betrieb der Spule für die Erzeugung des Erregerfeldes Ha benötigt. Durch die verstärkende Wirkung des Ferro-Kerns mit hoher Permeabilität am
Arbeitspunkt A3, ist der Energieverbrauch - relativ zur notwendigen Kraftkompensation im Vergleich zur Spule ohne Kern - sehr gering. Vorteil: K-Transversal-Kraft-Weg-Kennlinie kann genau so eingestellt werden wie die PM-Transversal-Kraft-Weg-Kennlinie, sowie dynamisch in der Intensität gesteuert und auch im 3. Takt deaktiviert werden. . Longitudinalfeld-Spulen-Kompensator Die Kompensation kann durch zwei Spulen in antiparaileler longitudinaler Anordnung (wegen symmetrischer Transversai-Komponente Ft(s)) wie die Arbeitsmagnete (PM's) erfolgen, wobei die Spulen durch Ferro-Feld- Verstärker (Kern) ausgebildet sind. Hierbei ist der Arbeitspunkt/ Verstärkungspunkt mit M bei A3=B2-Ha2 mit der Amplitudenpermeabilität μamax = Tangentenpunkt an der Magnetisierungskurve, zu beachten (Stoffauswahl mit hoher Verstärkung = Arbeitspunkt A3 bei amax): Durch diesen Zusammenhang wird der Kompensations-Energieaufwand wegen großer Feldverstärkung sehr klein (Fig.44). 2. Transversalfeld-Spulen-Kompensator (Fig. 45) Vorteile stationäres System
Masse des Kompensators wird nicht mitbeschleunigt/verzögert bei der Arbeitsmagnetbewegung → geringeres Magnet-Kolbengewicht und geringere Verluste an kinetischer Energie.
2. Variante B: Instationär-passive Kompensation von -Ft(s) = -Wt
2.1 Mitbewegung des Kompensators K in longitudinaler Richtung (Fig.46)
Wirkung der neutralen Zone: PM-Kompensator-Feld mit kurzer
Reichweite in der NZ verwenden → K-Einflußfeld = K-Femfeld-Wirkung auf FM in
UT.
2.2 U-Profil-Kompensator mit Rotation um α=90° im 2. Takt
Bei diesem Prinzip wird die Richtung der Feldlinien eines Kompensator- Permanentmagneten (KM) relativ im Takt zur Richtung der Arbeits-Magnete (AM) genutzt (Fig. 47, 48).
Insbesondere wird der KM im 2. Takt = Arbeitshub, bzw. im 4. Takt = Leerhub, um α=90°gedreht, so dass eine Differenz der Arbeit beim FM Öffnen (= Kompensation im 1. Takt) zu FM Schließen (= Rückstellung FM mit geringer FM-Arbeit) entsteht. Die Rotation des KM um α=90° erfodert keine magn. Arbeit, wenn der FM eine magn. isotrope Stoff-Struktur besitzt (Wrot=0).
Es entsteht geringe Arbeit bei Rotation des KM, wenn der FM eine anisotrope Stoff-Struktur besitzt, da der FM während der Drehung des KM im KM-Feid verbleibt und nicht transversal verschoben wird. Der FM hat ggf. eine magnetische Vorzugsrichtung im Stoff des FM = Kornorientierung bzw. Kristall-Anisotropie.
Beachte: 1. Feld-Orientierung PM senkrecht zur FM-Bewegung (1. Takt) 2. Korn-Orientierung des FM ggf. senkrecht zur FM-Bewegung 3. Kristall-Anisotropie des FM (z.B. Fe-kubisch raumzentrierte Elementarzelle, oder Co-hexagonale Elementarzelle mit extrem verschiedener magnetischer Vorzugsrichtung (parallel zur Achse = leichte Richtung, oder senkrecht zur Achse = schwere Richtung), oder Dy2Feι4B, oder Spinell-Struktur bei Ferriten 4. Magnetfeldinduzierte Anisotropien (Magnetfeldtemperung) = Option für FM Funktion: 1. Takt: FM Öffnen mit Kompensation der Arbeit ∑Wt= - t(PM)+Wt(KM)=0. (Fig. 47) 2. Takt: Kompensator KM drehen um α=90°, beachte ggf. FM-Kornorientierung/Kristall-Anisotropie (Fig.48) 3. Takt: FM fast ohne magn. Arbeit im PM-Fernfeld Schließen -Wt →O 4. Takt: Kompensator um α=-90° zurück drehen in Ausgangslage wie bei Takt 1 1. Takt FM Öffnen (Fig. 47) AM Arbeits-Magnete KM Kompensator-Magnete MV Magnetische Vorzugsrichtung MVI PM-Feldlinien AM MVt FM- ornorientierung MVT FM-Kristallanisotropie MVt FM-Magnetfeldinduzierte Anisotropie α Rotations-/Schaltwinkel KM Bern.: FM-Öffnung parallel zur Richtung der KM-Feldlinien bei KM-Grundstellung α=0°. 2. Takt (Arbeitstakt) →Kompensator Rotation α=90° (Fig. 48) → neue Orientierung der KM-Feldlinien → kleine transversale Kraftwirkung → Differenz der Arbeit senkrecht zur parallelen FM-Bewegung im KM-Feld Bern, zur Verschiebung der KM alternativ zur Rotation: Bei Verschiebung der KM nach außerhalb der FM-Position entsteht Arbeit, da dieser Vorgang einem FM-Öffnen gleich käme. → KM-Rotation um α=90°: FM verläßt nicht den Wirkungsbereich der KM-Feldlinien → magn. Arbeit bei isotropem FM: Wroι=0 3. Takt FM Schließen FM-Schließbewegung senkrecht zu KM-Feldlinien (nach Drehung um α=90° im 2. Takt)
2.3 Bemerkung zur stationären / instationärer Kompensator Stationär longitudinal orientierter PM-Kompansator
Bei stationär longitudinal wirkendem PM-Kompensator bleibt der PM-Kompensator in der FM-Ebene bei OT.
→ Bei FM "Schließen" in UT erzeugt ein longitudinaler PM-Kompensator bei nicht-deaktiviertem Feld eine longitudinal abstoßende Kraft (NZ steht quer dazu) und transversal anziehende Kraft -Ft(s). → Kompensation bei OT FM-Öffnen und Verluste bei UT FM-Schließen.
Instationär transversal wirkender PM-Kompensator Bei instationär transversal wirkendem PM-Kompensator wird dieser mit den Arbeits-PM's oszillierend mitbewegt in die jeweilige Magnet-Position, so dass im 3. Takt bei FM "Schließen" kaum transversale und longitudinale Verlustkräfte (-Ft(s) → -Wt bzw. -Fι(s) → -Wι) wirken können: Das Kompensator-Einfußfeld auf den FM steht mit Richtung der neutralen Zone NZ in longitudinaler Richtung der PM-Bewegung. Deshalb: Kompensatorfeld mit kurzer Reichweite und großer Kraft (NZ - neutrale Zone). Nachteil: Zusätzlich Magnet-Kolbenmasse → höheres Gewicht mit Verlust durch zusätzliche kinetische Energie.
3. Variante C: Bistabile Magnete (Schaltkerne) Kompensationsfeld aktivieren/deaktivieren durch Stromimpuls auf magnetischem Schaltkern a) halbharte magnetische Werkstoffe b) Impulsmagnetisierung c) amorphe Legierungen mit Rechteckschleife
4. Variante D: Kompensation der Polschuhe (PS) in verschiedenen Takten 1. Takt: +Wt(PSι,2) = PS Schließen wird kompensiert durch -Wt(PS1ι2) = PS Öffnen in 3. Takt → Kompensation im Zyklus ohne Trennung Nahfeld-ZFernfeld-Wirkung wie beim FM, denn die 2 PS sind immer am jeweiligen PM lokalisiert (Fig.49).
Die Variante mit 1 PS in der Symmetrieebene und Mitbewegung mit dem FM wird nachfolgend beschrieben (→Wirkprinzip Polschuhe und Feldmodulator).
5. PS Longitudϊnalkraft-Kompensation
Konstruktion gegen zu starke Anziehung der PS's durch PM's. Beispiel mit Kompensations-Magnet (KM) (Fig. 50): Kompensations-Varianten a) Permanent-Magnet b) Elektromagnet mit verstärkendem Kern (mit Zusatzenergie) c) Federkraft Die Kompensations-Kraft-Weg-Kennlinie muß dem PM bei
Transversalbewegung der PS entsprechen (funktional angepaßte Kompensationsfeldstärke).
6. Prinzipien zur Transversalarbeit-Kompensation 6.1 Im Potentialfeld, serielle Kompensation (Fig. 51)
Reihenfolge bei FM Translation: Arbeit W=F-s: Zuerst +F → +Wn, dann -F -→ -W-ι2 → W-ι=0 Kompensation seriell: +Wn im Gleichgewicht mit - ι2 Potentialfeld W Weg 1 = W Weg 2 ΣWι=+Wn-Wι2 = 0 seriell ( ΣW1=+^W11-^W12 = +W1) 6.2 Simultan-Kompensation o = 45° (Fig. 52) +Ft→ und-Ft immer gleichzeitig im Eingriff +Ft→+Wn mit -Ft→-Wι2 → Wι=0 FM-Bewegung mit α-45° +W11 im Gleichgewicht mit -W12
ΣWι= +Wn -W1 =0 simultan
6.3. Auf Äquipotentialfläche (Fig. 53)
Figure imgf000059_0001
6.4. Im Potentialfeld simultan-Kcmpensaticn (Fig. 54) 6.4.1 Mechanische Kopplung zweier paralleler FM's Simultan FM1-FM2 → W ι-WΪ2
Seriell ΣW1ι=+W1n-W112-0 ΣW12=+W121-W122=0
6.5 Auf Äquipotentalfläche (Fig. 55) 6.5.1 Mechanische Kopplung zweier paralleler FM's
FM-Bewegung senkrecht zum Feld
7. Transversal-PM-Kompensation
FM-Bewegung parallel zu den Feldlinien im Potentialfeld. 7.1. Zwei FM's in symmetrischer Anordnung (Fig. 56)
Ggf. mit luftspaltüberbrückender Polschuhen Richtung y z-Achse = longitudinal / Normalrichtung x-Achse = transversal / Tangentialrichtung 1. Gleichgewicht in z-Richtung APM Arbeits-Permanent-Magnete = abstoßend +z →+Fz=+Fι FM Feldmodulator = anziehend -z -→-Fz=-Fι G Gleichgewicht in z-Richtung - +F|PM-FIFM 2. Gleichgewicht in x-Richtung FMi Feldmodulator = transversal anziehend -x → -FtFMi FM2 Feldmodulator = transversal anziehend +x → +FtFM2 KPMi FMrKompensations-PM = abstoßend +x → +F«<PMI KPM2 FM2-Kompensations-PM = abstoßend -x → -Ft pwi2 G Gleichgewicht in x-Richtung FMι=-FtFM+Ft«PM
Folgerung
In der Feldberechnung müssen alle 5 Komponenten im Gleichgewicht sein bei Pos. FM="Zu". → Symmetrisches Feld-System (Prinzip Makro-Supraleiter+Supertransistor) 7.2 Ein FM mit gekoppeltem PS (Fig. 57) FM-Bewegung parallel zum PM-Feld. 1. Gleichgewicht in z-Richtung APM Arbeits-Permanent-Magnet = FM Feldmodulator = G Gleichgewicht in z-Richtung =
Figure imgf000060_0001
2. Gleichgewicht in x-Richtung FM Feldmodulator - transversal abstoßend/anziehend ±x -→ ±FX = ±Ft KPM FM-Kompensations-PM = abstoßend +x →
Figure imgf000060_0002
Bern.: +Fx-Komponente = gewonnenen Arbeit +Wn - Fx-Komponente = zu kompensierende Arbeit - W12 durch +Wι2KPM. G Gleichgewicht in x-Richtung bezüglich -Wι2-Komponente: Die +Wn-Komponente kann zu der Summe Σ-Wi addiert werden, dann ist das Gleichgewicht in der Arbeit mit Überschuß
Figure imgf000060_0003
Folgerung
In der Feldberechnung müssen alle 4 Komponenten im Gleichgewicht sein bei Pos. FM = "Zu".
→ Asymmetrisches Feld-System. Optimum bei Überschreiten des Gleichgewichts: Wir gewinnen Arbeit Wn.
7.3 KPM-FM-Anschluß
Beachte: Magnetische Formanisotropie (Entmagnetisierungsfaktor N) im FM plus Kristall-Ansisotropie im FM (Fig. 58).
8. Simultan-Kompensation Wt
8.1 Flach-PM mit versetzten Polschuhen (Fig. 59)
FM-Bewegung parallel zum Magnetfeld. Kompensation in zwei Bereichen
S-Pol wird je zu 1/2 versetzt zur Kompensation bei je 1/2 N-Pol genutzt.
ΣW-x=+Wιι-Wι2=0
ΣW+x=+Wn-Wι2=0 Option
Feldvektor der KPM um 180° drehen, so daß die Induktionsamplituden =
Flußdichteamplituden B kovariant sind und nicht entgegengesetzt bzw. nicht identisch sind → in gleiche Richtung orientierte Kraft-Weg-Kennlinie, sonst Asymmetrie bei der Momentan-Kompensation bei der FM-Bewegung.
8.2 Sandwich-PM mit versetzten Polschuhen (Fig. 60) 9. Iniine-Kompensator 1. Quadrat-ZRechteck-Magnet-FM-System
1.1 Quadrat-/Rechteck- ag net-System
Die weitere Erklärung erfolgt zunächst an einem Quadrat-/ oder Rechteck-Magneten, bei dem die Polflächen in longitudinale Richtung
(z-Richtung) zeigen.
Diese Magnetform hat gegenüber dem runden Scheiben-Magneten den Vorteil, dass eine magnetische Vorzugsrichtung eingestellt werden kann, bei der sich der FM entweder parallel oder senkrecht zum Feld / Feldlinien bewegt. Somit schaltet bewegt man den FM/PS im Potentialfeid (parallel zu den Feldlinien in x-Richtung) oder senkrecht dazu auf einer Äquipotentialfläche (in y-Richtung) - die Transversalkräfte sind dabei ganz verschieden. Gleiches gilt für den U-Profil-Magneten im Gegensatz zum runden Scheibenmagneten, bei dem die Feldlinien polar un ' nicht orthogonal orientiert sind.
1.2 Feldmodulator
1.2.1 FM hat eine optimierte Dicke, bei der Gleichgewicht zwischen den sich abstoßenden PM's entsteht, sodaß der Weg 2 UT→OT bei geschlossenem FM ohne Arbeit W|2 erfolgen kann.
Optimierungsprozeß a) Wird das Gleichgewicht nicht genau eingestellt, z.B. so, daß die PM's in einem longitudinalen Abstand von ca. 1 mm vor dem FM vom FM bereits angezogen werden, so folgt, daß dieser Anziehungsbetrag dann bei FM "Auf in der Bewegung OT→UT bei der Abstoßung als Betrag fehlt (= Minderung der Arbeit Wn auf Weg 1). b) Andererseits hat diese Abstands-Einstellung des FM zur Folge, daß bei der transversalen Verschiebung des FM parallel in Feldrichtung auf relativ großer transversaler Strecke bis fast zum PM-Rand nahezu ein Gleichgewicht besteht: Kraft-Weg-Kennlinie erst positiv (Abstoßung) , dann parallel zur x-Richtung (neutral), dann stark negativ. Deshalb kann der FM auf einer kleinen Wegstrecke am Rand des PM fast die gesamte Kraft schalten. Die Kraft-Weg-Kennlinie ist - bedingt durch den longitudinalen FM-Abstand - am PM-Rand stark asymmetrisch: die Arbeit Wtn ist nicht im Gleichgewicht mit Wt-ι2 Folge: Kippschalter-Effekt; je steiler die Kraft-Weg-Funktion am PM-Rand, um so besser die Nichtlinearität des Schalt-Effekts. Dieser Kippschalt-Effekt ist nur bei rechteckigem Magneten vorhanden, bei rundem Magneten ist eine Sinusfunktion Teil der Schaltfunktion, da der FM über einen Kreisbogen und in Feldrichtung geöffnet/geschlossen wird. c) Wird der FM-Abstand bis zum Gleichgewicht PM-FM-PM eingestellt, so besteht keine so starke Asymmetrie in der Kraft-Weg-Kennlinie des FM. Soll also kein expliziter Kipp-Effekt (= Kraftverstärker) genutzt werden, so muß die Asymmetrie der Kraft-Weg-Kennlinie, wie schon dargelegt, durch das Gleichgewicht-zwischen den Arbeits-Komponenten ΣW1=+Wtn-Wtι2=0 durch einen magnetischen transversal wirkenden Kompensator hergestellt werden. 1.2.2 Der FM darf transversal nicht zu weit in Richtung x verschoben werden. Es reicht die Verschiebung bis zum Wendepunkt der Kraft-Weg-Kennlinie: wenn diese wieder von negativen Werten auf null geht. Dieser Wendepunkt bestimmt auch die Abmessung des FM bei großem Streufeld, da bei kleinerem FM das äußere Streufeld aostoßendwirkt und diese Komponente soll ja gerade Null sein (der FM muß deshalb etwas dicker sein mit größerer Anziehung, um diese Komponente zu kompensieren, bzw. der FM muß außerdem die richtige Abmessung in transversaler Richtung aufweisen). 1.3 Polschuhe (PS)
Prinzip mit 2 Polschuhen
Die transversal beweglichen und longitudinal im Takt mitschwingenden
Polschuhe (je PM 1 PS) bewirken eine Erhöhung der Kraft
(Luftspaltüberbrückung) mit größerer longitudinaler Arbeit WA = H. PS "Zu" wird mit PS "Auf" in der transversalen Arbeit kompensiert.
(Fig. 61 Haftkräfte, Fig. 62: Elastische PS, Fig. 63: Keil-Formschluß,
Fig. 64: Konus-Formschluß)
Haftkräfte (Fig.61)
Kraft F im Abstand h bei großer Distanz = Kraft-Weg-Funktion F0(h) = 0 mm = ebene Polfläche
Fι(h) = Oberflächertkrummung/-form a) analytisch definierte Oberflächenform (45°, V W-Form, Kugel, etc.) zur Erhöhung des Traganteils b) aufgrund des magnetischen Brechungsindexes werden die Feldlinien bei geeigneter Oberflächenform in Normalenrichtung gestellt F2(h) = Kornorientierung mit inhomogenem Feld erzeugt: Fokus, Flußkonzentration außerhalb der Polfläche F3(h) = Hohe Haftkraft und Wirkung auf Distanz bei großem Abstand der Magnetpole (letztes Mittel: erhöht Eigengewicht des PM, reduziert H/G=Ratio V) Distanz: h0 = 0 mm; ht = 0,05 - 0,1 mm; h2 = WP Wendepunkt; h3 = 1,0 D; h4 = 1,3 D; h5 = 1,5D D = Durchmesser oder Diagonale des Magnet-Systems
Prinzip mit 1 Polschuh
Durch Anwendung der Kristailanisotropie und magnetischer Formanisotropie wird nur noch 1 PS benötigt der zusammen mit dem FM und nicht mit den PM's gekoppelt ist.
2. U-/Sandwich- agnet-System
2.1 Das U-/Sandwich-System hat folgende Vorteile
- So gut wie kein äußeres Streufeld, d.h. scharfe Feldabgrenzung, da Feld zwischen den Sandwich-Schenkeln wirkt, kaum äußere abstoßende Komponente.
- Kraft ca. Faktor 18 höher als offenes Magnet-System ohne Rückschluß
- U- bzw. Sandwich-Magnet hat ausgeprägte magnetische Vorzugsrichtung zwischen den Schenkeln = Flußplatten FP (Rückschluß). Bei Verschiebung des FM nicht in Feldrichtung, sondern senkrecht dazu, d.h. in
U-/Sandwich-Profil-Richturlg geht die Verschiebungs-Kraft gegen Null. Es gibt am PM-Rand keinen Schalteffekt wie bei der Verschiebung in Richtung der magnetischen Vorzugsrichtung (Rand der Stromschleife). 2.2 System-Design
Der FM wird dünner und in der Länge kürzer, da ein äußeres Streufeld nur schwach vorhanden ist (wird durch die Flußplatten (FP) als Rückschluß so gut wie verhindert).
Der FM wird so angepaßt, daß der longitudinale Gleichgewichtszustand bei PM-FM-PM (mit E=0 als Energielücke) hergestellt wird. Es besteht eine Kraft-Fehl-Komponente im Luftspalt zwischen FM und PM, siehe Kraft-Weg-Kennline.
Das Gleichgewicht im Hub -hι (UT→OT), d.h. weder positive noch negative Kraftkomponente kurz vor dem PM, ist auch deshalb wichtig, weil die Kraft zur Erzeugung der Arbeit maximiert werden muss, um diese über den Pleuellängen-Variator bei 90° KW bei maximalem Hebelarm einleiten zu können.
→ Arbeit und Energiebilanz FKM, Gleichraumprozess (p-,V-Diagramm) → Weg UT→OT ohne Krafterhöhung/Krafterniedrigung Sandwich-Aufbau: FP-PM-FP-P -FP-P -FP, quadratisches oder rechteckiges System
3. Inline-FM-Kompensator 3.1 Ausgangsbedingungen
1. Gleichgewichts-Strecke in der transversalen FM-Kraft-Weg-Kennlinie mit großer Asymmetrie/Nichtlinearität am PM-Rand mit FM-Kipp-/Schalt-Effekt Deshalb kann der FKG auch als Kraftverstärker verwendet werden.
Folge: Anziehung der PMs schon vor dem FM im 4. Takt.
2. Gleichgewicht bei den PM's mit dem FM in OT.
Folge: transversale Kraft-Weg-Kennlinie schneidet die transversale Achse in großem Winkel → kein Gleichgewicht bei transversaler Bewegung des FM.
3. Es wird Gleichgewicht bei den PM's im 4. Takt bis zum Luftspaltabstand PM-FM und Gleichgewicht bei der transversalen FM-Bewegung eingestellt. 1. Lösung: Flächenrand-Variation 1. Die transversale Kraft-Weg-Kennlinie wird als Anti-Transversalkraft-Funktion in den PM-Flächenrand übertragen (= positive Arbeits-Fläche durch negative PM-Flächendifferenz und negative Arbeits-Fläche durch positive PM-Flächendifferenz kompensiert F=B2-A 2μo)- Folge: Die induzierte Kraft im FM ändert sich in transversaler Richtung mit der sich ändernden Fläche = dem Rand des PM bei transversaler Bewegung des FM so, dass die Gesamtarbeit W-izu über das Gleichgewicht zwischen den Komponenten Wm und W kompensiert wird. 2. Lösung: Kraftverstärker 2. wie 1 , jedoch zusätzlich mit sehr steilem Kraftanstieg auf sehr kurzem Weg nur am Rand des PM bei Auf-Zu-Stellung des FM → sehr schnelle, nichtlieare Auf-Zu-Oszillation des FM möglich. Folge: Nichtlineare Schaltfunktion trotz Gleichgewicht auf großer Strecke entlang des transversalen Weges beim Öffnen des FM.
4. Ergebnis: Der PM-Rand als Anti-Transversalkraft-Funktion bestimmt die transversale Kraft-Weg-Kennlinie des FM (Kompensation ggf. mit Intergration einer nichtlinearen Schalt-Funktion).
3.2 FM-Bewegung a) FM-Bewegung parallel zur magn. Vorzugsrichtung. b) FM-Bewegung senkrecht zur magn. Vorzugsrichtung. ""
3.3 PM-Sandwich-System (= -Zelle → "Power-Cell") Mit anisotroper magn. Vorzugsrichtung im FM (Fig. 65) Sandwich-System "Power-Cell" (Fig. 65) F=(B2/2μ0) A; beachte B2 am Arbeitspunkt A3 MV magnetische Vorzugsrichtung
FM Feidmodulator
PM Permanent-Magnet
AM Arbeits-Magnet-system
FP Flußplatten
Dicke SFP-1S bei 1 Pol
Figure imgf000064_0001
Hub h,= 10,0-1,3 2=18,3 → h,=20 mm Option: anisotroper FM (kornorientiert, Kristallanisotropie, Magnetfeld-Temperung, etc.) = magnetische Vorzugsrichtung im FM-Stoff Feldlinien, wenn FM in Kontakt oder ganz nahe « zusätzliche Feldlinien bei FM-Abstand hι G Grenzfläche, Abstand d*0,05 mm
Alternative Anti-Transversalkraft-Funktion: F=/(B2)-A/2μo statt Flächendifferenz am PM-Rand, B-Variation und/oder r-Streifen in FPs 3.4 Iniine-Kompensator-Varianten
Differenzielle Variation von (A, μa, ήa)→/(FI,t) mit Verstärkung oder Abschwächung.
3.4.1 → Anti-Transversalkraft-Kompensator Prinzipien (Fig. 66. 1-3)) Longitudinale Kraft F| senkrecht zur Fläche hat im Feld auch transversale
Kraftkomponente Ft, die die Kompensation bewirken soll. F (B2/2 0) A Nachfolgende Prinzipien können kumuliert werden; sie sind parallel und/oder senkrecht zur magn. Vorzugsrichtung der PM's anwendbar. 1. Flächen-Funktion /(A) →Variation der Austrittsfläche (Fig.66.1 a, b) HA K, Ki Konstante = B2/2μ0 A=/aΔs; a=/(s) B-Φ/A=magn. Fluß/Fläche
2. Permeabilitäts-Funktion /(μa) → Amplitudenpermeabilität variieren (Fig.66.2^ Fp(/(μa)-K3)2-K2 = B2-A/2μ0 K2 Konstante = A/2μ0 K3 Konstante μo-Ha μ absolute Permeabilität μ=B/H μτ relative Permeabilität = Permeabilitätszahl Stoff = μr=μ/μ0, ( £* a). _ .„. μa Amplitudenpermeabilität μa am Arbeitspunkt A3 bei einer bestimmten Aussteuerung μ^ l ft)-1/μ0 Differenzielle Werte (→O) im Austausch zu Differenz-Werte (endliche Werte im Computer) Bdr→BΔs differenzielles bzw. Differenz-Flußdichtestück μadr→μaΔs differenzielles bzw, Differenz- Amplitudenpermeabilitäts-Stück Änderung von μa am Arbeitspunkt A3 entlang des Weges s → Änderungs des Stoffes mit anderer Leitfähigkeit μa an A3
3. PM-Feldstärke-Funktion /(fta) → Feldstärkeamplitude variieren (Fig.66.3) PM Spule mit Funktion fia(s) Fr(/(fia)-K4)2-K2 K Konstante A/2μ0 B Amplitudenflußdichte ήa Amplitudenfeldstärke äußeres Spulenfeld (PM-Feld) K4 Konstante μs-μ0 = konstanter Stoff-Arbeitspunkt I di→l-Δs differenzielles bzw. Differenz-Stromleiter-Stück ήadι→6aΔι differenzielles bzw, Differenz-Feldstärkeamplituden-Stück
3.4.2 Beispiele mit Scheiben-PM (Fig. 67)
Variation von Ö (einer Spule) oderl? (eines PM), Fläche A'(PS), Amplitudenpermeabilität (magn. Amplitudenleitfähigkeit) μa und von Polschuhstoff S(PS)
→ /(K) = Kompensationsfunktion. As(FM)= f(B)
3.4.3 Rekuperation → kinetische Kompensation Energie-Rückgewinnung: Bewegungsenergie (kin. Energie) wird beim Bremsen oder "äußerer" Energiezufuhr im FM-Kreis zurückgewonnen (Fig. 68).
+W Beschleunigung FM durch äußere Energiezufuhr -W Bremsen des FM Außer potentieller Energie [+W- (- W)→0J wird kinetische Energie im FM-Antrieb umgesetzt.
3.4.4 Beispiele mit Sandwich-System 3.4.4.1 FM-Bewegung senkrecht zu den Feldlinien (Fig. 69)
→ Kompensation senkrecht zu den Feldlinien/Kraftfeld (y-Richtung) s Weg
A Fläche /(A) Flächenfuπktion a Breite a=/(s) μa Amplitudenpermeabilität am Arbeitspunkt A3 bei Stoff S /"a= (s) → Stoff-Anisotropie fta Feldstärkeamplitude äußeres Feld der Spule bzw. des PM (B ) entlang de Weges s → ήa=/(s)
B Amplitudenflußdichte.-beachte B2=Arbeitspunkt A3 — MV magnetische Vorzugsrichtung (Feld-Vorzugsrichtung)
F| longitudinale Kraft (in Normairichtung = Fn)
Ft transversale Kraft (in Tangentialrichtung = Ft) hier senkrecht zur Kraftfeld-Vorzugsrichtung bzw. B
FF/(B,,A), Ft=/(Bt,A)
3.4.4.2 FM-Bewegung parallel zu den Feldlinien (Fig. 70)
→ Kompensation parallel zu den Feldlinien/Kraftfeld (x-Richtung)
Variation:
ΔA Änderung der Austrittsfläche Δμa Änderung der Amplitudenpermeabilität in FP
ΔÖa Änderung der Feldstärkeamplitude äußeres Feld der Spule / PM ( B )
MV magnetische Vorzugsrichtung
1-dl→l ds differenzielles Stromleiter (PM)-Stück erzeugt Feld dH bzw. ΔH, dB bzw. ΔB durch den Stoff. Dieses Feld kann in Komponenten parallel und senkrecht zur Achse zerlegt werden → Biot-Savart-Gesetz.
3.4.5 Transversalkraft-Kompensation durch PM-Zellen-Anordnung (Fig.71) 1. Basis-PM-System (Zelle = Sandwich oder U-Profil) B FeldKnie, magnetische Flußdichte
B=Φ/A=magn. Fluß/Fläche Φ Gesamtzahl magn. Feldlinien des PM oder der Spule
3.4.6 Erzeugung anisotropes Magnetfeld (Fig. 72) MV magn. Vorzugsrichtung: ovale Zylinderspule mit Abschirmung
7. Flussleit-Wirkprinzip Polschuhe (PS) und Feldmoduiator (FM)
Die Polschuhe haben die Aufgabe den Luftspalt, der durch das Herausziehen des Feldmodulators entsteht, zu überbrücken, um dadurch die magnetische Kraft a) zwischen 2 Polschuhen, je einer gekoppelt am PM, oder b) mittels 1 Polschuh, gekoppelt mit dem FM wesentlich zu erhöhen. 1. Polschuhe mit ferro agnetisc isotropem Stoff
Nachfolgend sind 3 Magnetfluß-Modelle dargestellt (Fig. 73) a) Ferromagnetische Scheibe mit Spule (= 1 Körper) → Magetisierung durch die Spule wird als magnetische Feldenergie an die Enden der Scheibe transportiert (Entmagnetisierungsfaktor N→O) und dort entstehen Magnetpole. b) Magnet in Kontakt mit 2 ferromagnetischen Scheiben (PS) (= 1 Körper mit 3 Zonen) → Magnetisierung durch den Magneten wird als magnetische Feldenergie über die Kontaktflächen/Grenzflächen (G) an die Enden der Scheiben nur bei N→O transportiert; bei dünnen Scheiben mit N→1 tritt das Feld tangential aus der PS-Scheibe. c) Magnet mit Luftspalt zwischen zwei ferromagnetischen Scheiben (PS) (= 3 Körper) → Magnetisierung durch den Magneten wird als magnetische Energie nicht an die Enden der Scheiben (PS) transportiert, da diese - wegen des Luftspaltes d (Grenzfläche) und N →1 - wie Abschirmungen und nicht wie Leiter wirken, (beachte magnetischen Berechnungsindex)
2. Polschuhe mit anisotropem Stoff (magnetische Vorzugsrichtung (MV)
Um den magnetischen Fluß im PS primär nur axial leiten und um das tangential austretende Streufeld reduzieren zu können, kann außer der Steuerung des
Entmagnetisierungsfakton? anisotropes Material verwendet werden. Die magnetische Anisotropie kann in verschiedenen Arten genutzt werden, hier zwei Fälle:
1. Kristailanisotropie (Orientierungsabhängigkeit der Polarisation in Bezug auf die Kristallachse)
2. Magnetfeldinduzierte uniaxiale Anisotropien Ku
3. Spannungsind uzierte Anisotropien
Kristallanisotropie bei PS
Die Ansisotropiefeldstärke HA ist die Feldstärke, um die Magnetisierung aus der leichten Vorzugsrichtung in die Richtung der schwersten Magnetisierbarkeit zu drehen.
Bei der Auswahl des anisotrop wirkenden Stoffes und bei der Berechnung muß darauf geachtet werden, dass die tangentiale Flußdichte-Komponente von der Feldstärke abhängt ab einer bestimmten Feldstärke sind axiale und radiale Komponente gleich groß.ln den genannten Fällen entstehen Polschuh-Scheiben, in denen der magnetische Fluß (MV) in der axialen Richtung der PS-Scheibe bevorzugt verläuft und quer dazu ist die PS-Scheibe schwer magnetisierbar mit der Folge, dass auch der tangentiale Streufluß minimiert wird. Anisotrope PS Grenzfläche /-Luftspalt (Fig. 74) Kombination Anisotropie mit Entmagnetisierungsfaktor
Aufgrund der zuvor geschilderten Funktions eise kann die richtungsabhängige Anisotropie-Leitfähigkeit und der Entmagnetisierungsfaktor N kumulativ bei der Konstruktion des PS und FM als Feldmodulator-Schalter genutzt werden
Feldmodulator-Schalter (Fig.75)
Schalten: Fluß Longitudinal/axial von * → Φ=0 Kristallanisotropie etc. und/oder magn. Formanisotropie Beispiel: a) Cobalt-Kristall (anisotrop) Co-Hexagonal-ElementarzeHe a und c: Gitterkonstanten μ richtungsabhängige Permeabilität → x, μy → μz b) isotrop CoFe N→0/N→1 c) Magnetische Formanisotropie N Richtungs- und ortsabhängiger Entmagnetisierungsfaktor
Aussteuerung mit Werte im "Knick" Arbeitspunkt A3 mit B2, H^ Bern.: Co hat größere Differenz in der Magnetisierung zwischen den Achsen als
Fe bzw. Ni.
3. Entmagnetisierungsfaktor und Luftspalteinfluß 3.1 Entmagnetisierungsfaktor N Ein langer Stab läßt sich leichter in Längsrichtung (N=0) mägnetisieren als quer dazu (N=0,5), eine Platte leichter tangential (N=0) als senkrecht zur Plattenebene (N=1). → Magnetische Formanisotropie.
Folge für die Konstruktion des Polschuhs: Der PS ist nicht eine Platte aus einem Stück, sondern muß:
Lösung 1: Aus vielen "langen" und dünnen quadratischen Stäben in dichter Gitterpackung zusammengesetzt sein (wie ein Schachbrett-Muster); die Länge des Stabes entspricht der Dicke des Polschuhs, die Querschnittsabmessung des Stabes ist so zu wählen, daß in Längsrichtung des Stabes N→O geht. Vorteil: Reduktion der Wirbelströme auf Stäbchen-Wirbelströme, wenn diese durch eine Dielektrische Schicht isoliert sind.
Lösung 2: Viele parallele axiale Streifen (Zeilen).
Lösung 3: Scheibe von Bandkern abgeschnitten, Band aus dünner Folie mit entsprechend anisotropem Stoff hergestellt.
3.2 Scherung Die Scherung beschreibt den Zusammenhang zwischen Entmagnetisierungsfaktor N, Luftspaltlänge l =d und der mittleren Stoffweglänge ls. Magnetische Kennlinien sind scherungsabhängig: Hystereseschleife, Neukurve, alle Permeabilitätsgrößen, Remanenz und Scheinleistung, Koerzitivfeldstärke, Sättigungspolarisation und Verluste (auf konstante Induktion bezogen). → Konstruktion der Scherungslinie mit
Figure imgf000068_0001
4. Feldmodulator FM: Entmagnetisierung N → Magnetisierung M - Schalter Wenn man den FM als dünne Platte einsetzt, so erfolgt durch die magnetische Formanisotropie mit Entmagnetisierung N→1 senkrecht T Plattenebene und N→O in Plattenebene ein Abschirmeffekt zwischen den Permanentmagneten. Option: FM aus vielen dünnen parallelen Platten aufgebaut → Verstärkung der
Abschirmwirkung plus Anti-Wirbelstrom-Wirkung.
Umgekehrt bewirkt eine FM-Struktur aus vielen dünnen Blechen in axialer Richtung (Blechung) mit N→O eine axiale Leitung des Magnetfeldes. In diesen Blechen kann eine Kristallanisotopie in axialer Blechrichtung die
Leitwirkung erhöhen, so dass das tangentiale Streufeld minimiert wird.
Der Feldmodulator schaltet, je nach Blechungsrichtung, zwischen Sperren N→1 und Durchläse = Leiten N→O als magn. Formanisotropie- und Kristailanisotropϊe-Schälter.
Die Folge für die FKG-Konstruktion ist: Statt zwei Polschuhe (je PM einer) kann von einem sperrenden FM zu einem leitenden FM geschaltet werden - bedingt durch den Wechsel des magnetischen Formanisotropie-Wertes in axialer Richtung von N→1 → 0 sowie der Kristall-Ansiotropie etc..
Zustände im Kanal (Fig. 76) Formanisotropie-Ersatzmodell (Fig. 77)
Elektrische Isolierschicht SiO Magnetische Isolierschicht CoO
Achsverhältnis der Platten a/b »1 für axial magnetisierten Stab N→O a/b «1 für magnetisierung senkrecht zu Plattenebene (dünne Platte) N→1 a/b = 1 Kugel oder Würfel N=1/3
Beispiel a= 0,5 mm b=0,05 mm a/b=10 →N=0,02 HS=-N M Für beliebige Magnetisierungsrichtungen verallgemeinert und vektoriell niedergeschrieben →N wäre ein Tensor, der die Vektoren M und H miteinander verknüpft.
Formanisotropie-Fälle (Als Ersatzmodell für Kristall-, Magnetfeldinduzierte und
Snannungs-Anisotropie ist die Formanisotropie verwendbar)
1. FM/PS-Bewegung senkrecht zum Feld (Fig. 78) 2. FM/PS-Bewegung parallel zum Feld (Fig. 79)
Die Polschuhe können wie im Prinzip einer Vielkanalplatte konstruiert sein. Das Verhältnis Länge zu Breite der magn. Formanisotropie (= Länge-zu-Breite- Quotient) kann im Bereich 40-100 liegen (vgl. Rotationsellipsoid). Die PS-Platten können als „Single", „chevron" oder als Z-stack ausgebildet werden. Wirksamkeit des PS und FB/S
Für die Wirksamkeit des PS und FM ist es notwendig, dass diese Bauteile in einem über die Eintrittsfiäche konstanten Magnetfeld mit der konstanten Amlitudenfeldstärke Öa2 mit B2 am Arbeitspunkt A3 betrieben werden. An diesem Arbeitspunkt ist die größte Leitfähigkeit μrmaκ des ausgewählten
Stoffes vorhanden. Schalter S → Schaltzustände = FM-Kippstufe
8. Flussmodulation-/ Flussverstärkung Ferromagnetischer Stoff im magnetischen Feld (Fig.80) 1. Magnetisierungskurve (B x H) Magn. Fluß Φ=B-A (Fluß Φ entspricht magnetischer Strom lm). Magn. Spannung Θ-H-l (elektr. Durchflutung Θ = magn. Spannung Um>. Arbeitspunkt A bzw. A3 (B-H)max für weichmagn. Stoffe S (bei Transistor mit H-Feld quer zum Kanal).
2. Verlauf der Permeabilitätszahl μr Magn. Leitfähigkeit μ=μoμr, a Permeabilitätsamplitude; gilt sinngemäß für ferroelektrische Stoffe (haben eine Hysterese) im elektrischen Feld mit: a) Elektrisierungskurve (D x E) b) Verlauf der Permittivitätszahl εr
Ferromagnetischer Stoff als Schalter S Verstärker (Fig.81, 82) → Sehaltzustände = FM-Kippstufe
Parameter
M Magnetisierung (Erregung/Aufmagnetisierung) [A/crn] B magn. Flußdichte, Bs bei Sättigung [T] Ha äußeres Spulenfeld, magn. Feldstärke [A/cm] o magn. Feldkonstante 1 ,256- 10"4 Tcm/A μa Amplitudenpermeabilität
B=μo(Ha+M) M=B/μ0 -Ha μa=1/μo Blk,B, ή Amlitudenwerte
Modulationsarten
1. Leitfähigkeitsmodulation
Die Leitfähigkeit kann auf verschiedene Weise geändert werden: a) Temperaturänderung (Ferromagnetismus → Paramagnetismus) b) Änderung der Magnetisierungsträger-Konzentration im M-Halbleiter c) Schalten zwischen FM im Kanal μr=max (Fluß = nicht leitend im Kanal S-D → "Zu" = Gleichgewicht zwischen den PM's) nach FM außerhalb des Kanals, d.h. Luft/Vakuum im Kanal μr≥ 1 (Fluß im Kanal S-D →'Αuf ' = Abstoßung der PM's).
2. Querschnittsmodulation
Ein Magnetisches Feld quer zum PM-Fluß-Kanal steuert den magnetischen Fluß/Strom zwischen Source und Drain. M-Feldmodulator-Design 1. Stationärer FM Zur optimalen Auslegung des Feldmodulators sollte bei der stationären 5 Variante die magnetische Vorzugsachse (= Anisotropie-Achse) des FM in transversaler Richtung wirken und dabei die Flußdrehte B konstant sein, d.h. es ändert sich ggf. die Querschnittsfläche A am Ort mit Ad(x,y,z) bzw. AΔ(x,y,z). Dadurch ist gewährleistet, dass der FM im leitenden Zustand "Auf bei Punkt A3 immer bei B2 mit H^ betrieben wird, also bei optimaler Wirkung mit max. 10 Leitfähigkeit in transversaler Richtung. Magnetische Halbleiterbauelemente, (Magnetronik): M-Bipolar-Transistor M-BT und M-Feldeffekt-Transistor M-FET. Die Auf-Zu-Schaltung kann beim M-FET nur durch ein Quer-Feld, ohne kinematische Verschiebung des FMr vorgenommen "15 werden. 2. Kinematischer FM Beim kinematischen FM ist es sinnvoll in der Bewegungsrichtung eine geringe Leitfähigkeit (wegen Anziehung durch die PM's) und senkrecht dazu 20 (bei anisotropem Feld) die hohe Leitfähigkeit und konstante Flußdichte zu haben (abgesehen von der Kompensationsfunktion), so dass auch hier die Funktion des FM in allen Bereichen beim Arbeitspunkt A3 / Punkt B2 liegt. Feldmodulator als M-Transistor Schalter 25 M-Transistoren als Schalter haben zwei Schaltzustände: Sie arbeiten in der magn. Sättigung (magn. leitend Arbeitspunkt A3 = "Ein" (B2=Boptbei HS2 und μmax) oder sind gesperrt (magn. nichtleitend '- magnetisch transparent ( r=1) Punkt A1 = "Aus" (B5 = Bmax bei Ha5= Hamax), (beachte Sättigungsbereich = Übersteuerung Bereich Bo bei Hao bis B3 bei Ha , Beginn Ü-Bereich = 30 Sättigungsanfang bei Punkt A2 auf der Arbeitsgerade. Feldmodulator als M-Transistor Verstärker Ein kleiner magn. Basisstrom/-fluß ΦB verursacht beim M-Transistor einen großen magn. Kollektorstrom/-fluß Φc. Dies nennt man 35 Magnetstrom/-fluß-Verstärkung (VΦ). Ein M-Transistor kann auch als magnetischer Spannungsverstärker (V©) und Leistungsverstärker (Vp) betrieben werden. FM-Steuerung "Auf/Zu" durch magn. Hilfsfeld
40 Bei entsprechender Werkstoffwahl (S) und Feldstärkeamplitude H32 Induktionsamplitude B2 mit μmax am Arbeitspunkt A3 mit maximaler Verstärkung der Magnetisierung M, wirkt das steuernde Hilfsfeld Ha2 maximal und mit kleinstem Energieaufwand, so dass der FM noch dünner werden kann als die passive FM-Variante (ohne aktives Hilfsfeld).
45 Feldvektoren / Fiussvariation / Feldrichtung Bei einem polaren Feld, wie es durch einen runden Scheibenmagneten entsteht, sind alle Feldlinien am Umkehrpunkt des Feldes (Mittelpunkt) in radialer Richtung orientiert, so dass die transversale Verschiebung des FM 50 durch dieses inhomogene, in jeder Richtung gleiche Feld, bezüglich der aufzuwendenden Kraft beeinflusst wird: Es entsteht eine Zug- und nach Überschreiten des PM-Mittelpunktes eine D ck-Kraft auf den FM, und zwar unabhäbg davon, von welcher tangentialen Richtung der FM zum Mittelpunkt bewegt wird.
Bei einem U-Profil-Magneten oder Sandwich-PM ist das nicht so, denn das Feld ist nicht polar orientiert, sondern in x-/y-Achse verschieden: Wird der FM parallel zu den Feldvektoren verschoben, also zwischen den U-Schenkeln, so besteht das o.g. Problem. Wird der FM senkrecht dazu, also in U-Profil-Richtung, verschoben, so schneidet der FM die Feldvektoren und die
Kraft muss eine andere sein (→ Vergleich Magnet-Systeme Fig. 83).
Die Komponentenzerlegung der Feldlinie/Feldstärke/Flußdichte/Kraft des Vektorpotentials erfolgt in Br B$ mit Polarwinkel (Fig. 84). Bei einem U- oder Sandwich-Magneten erfolgt die Kompönehteήzef legung im orthogonalen Koordinatensystem entlang der Achse y.
Bern: Die Feldlinie ist im Vakuum gezeichnet. Bei Stoff im Feld wirkt der Maxwellsche Spannungs-Tensor an der Oberfläche in Punkt P (magn. Brechungsindex, die Feldlinie wird zum Lot hin gebrochen). Durch die
Abweichung vom Lot auf die Stoff-Fläche (FM) ergeben sich Tangentialkräfte. FM-Materialgrenze = μ-Sprung. I
Achtung: Kompensationsfeld wirkt auch in longitudinaler Hubrichtung hι, beachte neutrale Zone NZ.
Lösung auch mit Induktionsspule möglich.
Vorgang: 1. Takt: Feld Ha anschalten bei FM Öffnen (bei OT) → Kompensation Feld Ha nach FM öffnen abschalten 3. Takt Bei FM Schließen (bei UT) kein Einflußfeld Ha = ungestörtes Gleichgewicht PM-FM-PM Spule ggf. mit Energie-Rückgewinnung bei FM "Schließen" in 3. Takt
9. Feldverstärkung am Arbeitspunkt A3 Kennlinie für Verstärkungsfaktor (Fig. 85) A3 Arbeitspunkt -(BΗ)max (negative Energie) = maximales Energieprodukt = Gütekennzeichen für weichmagnetische Stoffe. S Magnetisierungskurve Stoff W Wendepunkt W1 W Anfang W2 Tangente μa max an B-Ha-Kennlinie W3 Ende
Zylinderspule (Fig. 86) I Spulenlänge = lm = mittlere Feldlinienlänge N Windungszahl I Stromstärke r mittlerer Spulenradius Ha äußeres Spulenfeld H Spulenmitte (x=l/2) H=(N/l)M/V4r2+ P → Optimum finden U- 4r2 + P H Spulenende H=0,5-(N/I)-H/V4r2+I2 → Optimum finden l/V4r2 +
Kern K verstärkt äußeres Spulenfeld Has → sehr geringer Energieeinsatz mit Strom I bei Has wegen V äquvalent bei äußerem PM-Feld HaPM. |Has| = IHaPWll → Geringer Strom I neutralisiert starkes PM-Feld H3 M bzw. auch
Wirbelstromfeld bei vergleichbar kleiner Spule und kleinem Strom (→ Kompensator)
Beachte n-StufenVerstärkung 1. Stufe Spulenkern mit μa (?) 2. Stufe Polschuhe mit μa (z.B. CoFe) 3. Stufe Konzentrator
Spezifisches Leitfähigkeits-Eigengewicht Spulenwickiung: AI bei oszillierenden/sich bewegenden Spulen Cu bei ruhenden Spulen wegen spezifischem Verhältnis Leitfähigkeit-Eigengewicht
Leitfähigkeit p20, Dichte p AI p20=0,02825, Dichte p=2,7 kg/dm3 Cu p2_=0,01754, Dichte p=8,9δ kg/dm3
Dichteverhältnis VP=9,96/2J=3,32 Spezifisches Verhältnis Leitfähigkeit-Eigengewicht V Cu 0,01754-3,32=0,0582328 » AI p200,02825 → Verhältnis V=0,0582328/0,02825 V=2,0613
Permanentmagnet mit verstärkendem Kern und Hülle (Fig. 87) Hystereseschleifenform für weich- und hartmagnetische Stoffe (Fig. 88)
Verstärker-Kaskade (Fig. 89, 90, 91) Pos. Bezeichnung/Funktion
1. Permanentmagnet (PM), Permanetelektret (PE) Supraieitermagnet (SM) Option: Ring-PM mit Verstärker-Mantel innen/außen oder
2. Spule mit verstärkendem Kern (Ha2, B2), Bandkern, oder
3. Spule ohne Kern mit Feidstärkeamplitude Ha.
4. Divergenz/Dizentration/Divergator bei N-Pol = starkes Feld verdünnen Gegeben: BPM-A, Prozeß: statt Feldkonzentration → Felddizentration Flußdichte B A reduzieren von Fläche -<A→ -A' mit BpM(A)→B'PM(A') (äquivalent Spulenfeld Ha), d.h. von HapM→H'a2 M, passend zur B-Ha-Kenniinie des Werkstoffs mit S(μa) = Verschiebung von ^Ha, >B2→ HBz, <BZ. Die Feidstärkeamplitude Hfl verändert sich mit B auf der Kennlinie S. Konvergenz/Konzentration/Konzentrator bei S-Pol: umgekehrte Funktionsweise wie bei N-Pol. 5. Flußdichte B2 verstärken durch Ha2 mit Stoff S(μa). Bandkern mit verschiedenen Stoffen S (radiale 3-Schichten, Funktion: ^r=- μa → H= μa, mit fallendem B(r) = radiusabhängiges μa
6. Kaskade mit Stufen-Verstärkung je Einheit Pos. 4.-5.
7. Feldkonzentration von -<B2-A→;>-B2-A' durch Flächenverkleinerung A'→A → Flußdichte ist Werkstoff (S) mit höherem B-Ha-Level angepaßt. Die Feidstärkeamplitude Ha verändert sich mit B auf der Kennlinie S. Konvergenz/Konzentration/Konzentrator
8. Polschuh auf höchstem Flußdichte-Level des Werkstoffs. Ausgangsgrößen F= B2A 2 α Variable A
Figure imgf000074_0001
Ergebis: B2 auf S mit Haz M=Baμo - Ha
Sandwich-Verstärker (V) (Fig. 89) Sandwich-Abschwächer (A) (Fig. 90)
Anpassung an B2, HS2 (Fig. 91)
10. PM-/PE-Feld-Design PM-Feld-Design
1. Permanent-Magnet (PM)
1.1 Runder Scheibenmagnet (AP) (Fig. 92) d Luftspalt
H Haftmagnet (d=0) G Eigengewicht
D Maximierung S Minimierung lm mittlere Feldlinienlänge → Optimierung H/G
Entmagnetisierungsfaktor N=1 (dünne Platte) mit gleichstarkem Koerzitivfeid durch antiparallelen PM
1.2 Quadratischer Scheibenmagnet (AP) (Fig. 93) Variante A: quadratisch α=0°
Variante B: Rhombus α=45° a=b Optimum (Maximum) s Minimierung → Optimierung H/G
Entmagnetisierungsfaktor N=1 (dünne Platte) mit gleichstarkem Koerzitivfeid durch aπtiparallelen PM 1.3 Rechteckiger Scheibenmagnet (AP) (Fig. 94)
Variante A: α=0° Variante B: Rhombus α=45° a Maximierung b Minimierung s Minimierung
→ Optimierung H/G
Entmagnetisierungsfaktor N=1 (dünne Platte) mit gleichstarkem Koerzitivfeid durch antiparatielen PM
1.4 Rotationsellipsoid (RE) (Fig. 95, 96)
RE längs der Rotationsachse homogen magnetisiert
N beschreibt die magnetsiche Formanisotropie Entmagnetisierungsfaktor -1 bei a b=0 a polare Halbachse = Rotationsachse (parallel magnetisierte Richtung) b — äquatoriale Halbachse
→ Gewichtsreduktion von RE gegenüber dünne Platte und gleiche
Magnetisierung (homogen magnetisiert).
1.5 U-Magnet (Fig. 97)
Magnetisierung in Umfangsrichtung
Vorteil: Beide Pole ohne Rückschluß auf derselben Seite → Gewichtsreduktion Spule
Θ Elektrische Durchflutung lm mittlere Feldlinienlänge
I Stromstärke
N Windungszahl H magnetische Feldstärke = Θ/Im = I ■ N/lm
Parameter
Rι innerer Radius
Rm mittlerer Radius Ra äußerer Radius
L Maximierung
Dm 2Rm (Polabstand → Felddurchgriff Richtung z z Richtung h (Hub) = Wirkungsbereich
M Mantel für Streufeld s = 0, 1 mm, μa = 400.000
→ Optimierung H/G
Entmagnetisierungsfaktor N=1 mit gleichstarkem Koerzitivfeid durch antiparallelen PM
2. PM-Sandwich (Multi-Layer) (Fig. 98) Vorteile: a) höhere Haftkraft / Flußdichte b) größere Packuπgsdichte c) Magnetkronen-Design, Alternativen: 1. höhere Kraft 2. steilere Feldlinien 3. homogenes Feld Maximierung: Höhere Kraft F (Fig.99) a) Sandwich-Konstruktion mit kleinerer Fläche A b) Magnet-Krone 1, 2., 3., = analytische Flächenfo ?/-größe 4. = magn. Brechungsindex für Felddurchgriff Richtung z → inhomogenes Feld homogenisieren → steilere Feldlinien c) Fläche verkleinern auf A2 Parameter F Kraft [N] B magnetische Flußdichte [T] A Fläche [cm2] = (2 A1,), (A2=1/2A1→2-F) μ0 magnetische Feldkonstante = 1 ,256- 10"4 Tcm/A F = B2-A 2 0 3. Hubvergrößerung Ohne Erhöhung des Eigengewichtes durch Drehung der Magnetkonfiguration ohne Flächenveränderung, d.h. A bleibt bei der Drehung im Betrag gleich. 3.1 Variante A (Fig. 100, 101) Hu h h 1 ,0 - 1,3; max 1,4-e Parallelverschiebung gilt auch für U-Magnet etc. Parallelverschiebung unter Winkel α, gilt auch für U-Magnet etc. Achtung: N-Pol an S-Pol vorbei → Abstoßung → Anziehung hmaxV2 -e = 1,4142-e 3.2 Variante B (Fig. 102, 103) 3.3 Variante C (Fig, 104)
3.4 Variante D (Transversal-System) (Fig. 105) Modifikation der Kraft-Weg-Keπniinϊe durch, Feld-Design 1. Orthogonal-System (Fig. 105 a,b,c, Fig. 106 a, b, c) a) Orthogonal-Feld b) Winkel α-Fe!d c) Tauchsystem → steilerer Gradient d) längs c2) quer
2. Diagonal-System (Fig. 107) a) Orthogonal-Feldfluß b) Diagonal-Feldfluß →größerer Polabstand → großer Hub
Vorteile: - Sandwich, schmale Konstruktion - Große Kraft F| plus große (Diagonal-) Poldistanz → große Feld-Tiefenwirkung (Durchgriff) → großer Hub h, → kurzer Schaltweg Je höher die Koerzitivfeldstärke des PP, um so geringer seine Länge
3. Orthogonal-Diagonal-System (Fig. 108) 1. PM = Stator 2. Isotrope Anker mit N→O in longitudinaler Richtung
3. Anisotroper Anker N→O + Kristallanisotropie etc. zur Vermeidung des - tangentialen Streuflußes
4. Beachte notwendig hohen spez. elektrischen Widerstand wegen im PM-Feld oszillierender Anker → Anti-Wirbelstrom-Maßnahmen Krafterzeugungs-Prinzipien mit Maximierung der Feldkraft Abstoßung 2er PM's (N~N) Anziehung 2er PM's (N=»S) Anziehung Fe=*PM Abstoßung-Anziehung PM-AI-Ring mit Induktion Magnet-AI-Ring mit induzierten Wirbelströmen und Lenz-Regel
FM-Design
1. FKG mit Inline-FM (Fig. 110, 111) 1.1 Arbeitsspiel im Kreisprozeß (→ p,V-Diagramm)
1.2 Flußsteuerung kinematisch
Beachte magnetische Formanisotropie für FM und PS 1.2.1 FKG mit FM ohne Pόtechühe (PS) (Fig. 112) d Kraftminderung durch Luftspalt d. G Grenzschicht Übergang
1.2.2 FKM mit FM und Polschuhe (PS) Polschuhe überbrücken den Luftspalt → höhere abstoßende Kraft F|
Variante A: mittig nicht geteilte Polschuhe (Fig. 113) Variante B: geteilte PS (Maße a, b siehe magnetische Formanisotropie mit N (Flg. 11 ) 2. FKG mit Outline-FM
Feldmodulator (Anziehungs-Gleichgewicht) + Polschuhe (PS) mit
Flußumleitung in einem Bauteil. (Fig. 115)
PS: Polschuhe in B2, Ha2 angepaßt (Arbeitspunkt A3 in B-H-Kennlinie) Magn. Formanisotropie (Fig. 116)
Magnetisierungsfaktor/ Entmagnetisierungsfaktor N: Wegen N sind die magnetischen Eigenschaften von weichmagnetischen Stoffen formabhängig: Ein in s langer FM (Stab) läßt sich leichter in Längsrichtung magnetisieren als quer dazu, ein in s kurzer FM (dünne Platte) leichter tangential als senkrecht zur Plattenebene.
3. FKG Transversal-System Variante A: Inline FM (Fig. 117) Variante B: Outline FM (Fig. 118) Zu Takt 4.: Beachte Drehmoment auf FM.
Vermeidung: Variabler FM → Überlappung der PM → variable Fläche des FM, abhängig vom Hub h (alternativ Sandwich wechselseitig und versetzt). (Fig.117)
4. Aktiver Feldmodulator (Fig. 113, 120, 121, 122, 123, 124, 125) Vergleiche: In FM-Systematik Pos. 4 weichmagnetischer Induktions-FM a) Spule mit variabler /dynamischer Magnetisierung b) Impulsmagnetisierung mit Pulskompressionstechnik bei Ha, B2, μa FM-Zustände:
1. Anziehung N-0/0-S=inaktiv
2. Starke Anziehung N-S/N-S=ZU
3. Starke Abstoßung N-N/S-S=AUF
3. Outline-FM (Fig. 121)
Spulenanordnung Kern K bei Strom I. FM-Zustände: 1. Neutral "off' 0-N=AUF
2. Spule "on" S-N=ZU
3. Spule "on" N-N =AUF Spule umgepolt → Verstärkung a) Nachteil: Spule nimmt Platz für Multilayer-PM weg → ΣF, großer Spulenradius (-t-Formel), - . b) Vorteil: Platz für viele kleine Spulen, klein I, kleiner r (→ Formel) → hohe Wirkung bei -<l. Schaltpunkt A3 (Fig. 122)
Weichmagnetischer Induktion-Feldstärke FM (in FM-Systematik Typ 4b)
Prinzip Transistor, jedoch ohne Halbleitermaterial Schaltung des Arbejtspunktes A3 Typ 4a: Permeabilität-Induktion FM → Za → große Schaltenergie nax. Bo t → Mr=1 , Bmaχ (= Sättigung Bs)
Typ 4b: Induktion-Feldstärke FM → Zb → kleine Schaltenergie
Figure imgf000078_0001
Schaltzustände Zb:
1. "AUF" = Flußquanten-Durchiaß (Φ) bei Ha2 mit B2 (M verstärkt) 2. "ZU" = Flußquanten-Sperrung bei angelegter Gegen-Feldstärkeamplitude -Ha2 (Koerzitivfeldstärke) -Ha2; B2 → Hao, Bo (→ M=min bzw. 0 beim ersten Mal (→ 2-74: weichmagnetische Hystereseschleife)
A3 Arbeitspunkt -(BH)max (- = negative Energie = Anziehung) - max. negatives Energieprodukt weichmagn. Stoff = Gütekennzeichen für weichmagnetische Stoffe
S Magnetisierungs-Kennlinie Stoff S
Schalt-Prozess
1. Reduktion Steuerenergie l→Ha2
2. Erhöhung der Feidkraft Schaltung über Kanalquerschnitt-Modulation durch magn. Feld quer zum Kanal analog mag. Feldeffekt-Transistor M-FET. (Fig. 124, 125) FM kinematisch oder stationär, a) Mit jeweils einem Querfeld (Gate) b) Mit jeweils zwei Querfeldern (Gate)
11. Solid-state FKM-Generator (FKG)
= Elektrodynamisches Prinzip (ohne bewegte Teile) → Lorentz-Kraft auf bewegte Ladungsträger oder stromführende Leiter (F « 1/40 von Elektromagnetischem Prinzip - Anziehung eines Fe-Ankers = bewegtes Teil)
Solid-state Maschine
Der Feldkraftgenerator FKG kann auch als "Solid-state" Maschine, d.h. ohne bewegte Teile, zur induktiven Erzeugung von Primärstrom ausgebildet werden: a) aus sich zeitlich schnell veränderndem Magnetfeld (magnetostatisches Feld vor dem FM - moduliert durch einen stationär-aktiven Feldmodulatoή. Basis des instationären magnetischen Feldes ist das durch den FM modulierte magnetostatische Gleichfeld aus dem stationären Potentialfeld eines Permaneπt-Magneten, oder b) aus sich zeitlich schnell veränderndem Elektretfeld (elektrostatisches Feld vor dem FM - moduliert durch einen stationär-aktiven Feldmodulatoή. Basis des instationären elektrischen Feldes ist das durch den FM modulierte elektrostatische Gleichfeld aus dem stationären Potentialfeld eines Per anent-Elektreten, oder c) wie a) aus einem stationären Gieichfeld eines Supraleitermagneten, das durch den stationären FM moduliert wird → instationäres Magnetfeld,
Ortsfeste PM's
Ortsfeste PM's lassen sich auch als Solid-State FKG, ortsfester PM mit anziehendem PM-Kolben, oder abstoßendem PM-Kolben realisieren. 1. Solid-state FKG-Varianten: Ortsfeste PM's oder PE's (Fig. 126)
Fig.126 a: Solid State ortsfest
Stationärer FM oder kinematischer FM
Zeitlich sich änderndes
Magnetfeld induziert elektrisches Feld → elektr. Strom
Fig.126 b: Anziehung Kolben K
Stationärer oder kinematischer FM
K Kolben - weichmagnetischer Stoff
Fig.126 c: Abstoßung PM1 ortsfest, PM2 - Kolben
Bern.: Longitudinale Kraft-Weg-Kennlinie bei OT im Gleichgewicht, bei UT ist
Verhältnis longitudinale zu transversale Kraft-Weg-Kennlinie immer noch V>-1, trotz asymmetrischer FM-Position Beachte Pleuellängen-Variator: Bei OT: FM Offen ohne K-Bewegung → in Gleichgewichts-Position
Bei UT: FM Schließen ohne K-Bewegung → FM in asymetrischer Position
2. Einzelspuien-Generator (Fig. 127, 128) Zu Outline FM/PS Schaltwirkung / Flußleitung/Flußumleitung »Haupfluß Φ Weg A a) FM hohe Quer-Leitfähigkeit FM = "ZU", beachte Kristallanisotropie und magnetische Formanisotropie oder »Nebenfluß Φ Weg B durch PS geschaltet (Flußumlenkung) b) PS hohe Längs-Leitfähigkeit PS = "AUF", beachte Kristallanisotropie und magnetische Formanisotropie FM Feldmodulator = Fluß sperren PS Polschuh = Fluß leiten
S Spule, alternativ auf beiden Schenkeln → mehr Windungen FS Flußleitstücke = 2 Schenkel
PM .. _ Permanentmagnet (SM, PE) Fe Ferro-/Ferrimagnetikum G Grenzfläche / Übergang Beachte: Anpassung an B2, Ha2 für optimale Schalt-/Verstärkerwirkung
3. Doppeispulen-Generator (Fig. 129)
PM Permanentmagnet (SM, PE)
S Spule / Solenoid
G Grenzfläche K Konzentrator → max. Verstärkung B2, Ha2 am Arbeitspunkt A3
FM Feidmodulator =Sperren
PS Polschuh = Leiten FM-PS-Leitfähigkeitsmodulation/-schalteπ
"AUF" = 0 = hoher Widerstand in FM → Fluß Φ Weg A
"ZU" = 1 = hohe Leitfähigkeit in PS → Fluß Φ Weg B Fe Fβrro-/Ferrimagnetikum
FS Der Vorteil der 2 Flußleitstücke (2 Schenkel) besteht darin, daß man viel mehr Windungen unterbringen kann, als in einer gleichwertigen ferrofreien Spule.
4. Feldmodulator-Typen Der FM kann als: 1. kinematischer FM a) passiv (Leitfähigkeitsmodulation) b) aktiv (Leitfähigkeitsmodulation u./o. Kanalquerschnittsmodulation) 2. stationärer FM a) Leitfähigkeitsmodulation analog z.B. M-BT b) Kanalquerschnittsmodulation analog M-FET ausgebildet werden. B. Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung Feidkraftgenerafor (FKG)
Magnetostatisch-dynamischer Oszillationskreis-Prozeß Die Maschine arbeitet in einem Kreisprozeß mit magnetostatisch-dynamisch oszillierenden Zuständen von reversibel→irreversibel→reversibel (insgesamt = irreversibler Kreisprozeß). Das Wirkprinzip des FKG entspricht wegen der verschiedenen FM-Sperrschichtarten einer verallgemeinerten "Supertransistor-Maschine" und ist auch eine makroskopische Analogie zu einem Supraleiter mit Energielücke (FM→E=0) nach folgendem Prinzip:
Die Maschine erzeugt Arbeit/Energie/Entropie auf Basis der magnetischen Vektorpotential-Loπgitudinal-Stoßwellen (nichtlineare elastische Kraftfeld- Stoßwellen = Solitoneπ aus Flußquanten) der_sich in Normalenrichtung (bei Longitudinal-Maschine) abstoßenden PM's.
Wegen der Oszillation der PM's, zwischen den Zuständen Erzeugung Energie - Rücklauf im Gleichgewichtszustand, sind diese Stoßwellen selbstreflektierend wegen a) der gekoppelten Spinmomente mit spontan magnetisierten Domänen bzw. b) den gekoppelten magnetischen PM-Momenten; erzeugt aus den Oberflächen-Ringströmen (Longitudinalwellen ggf. gekoppelt mit Transversalwellen mit Scherung, Biegung u. Torsion).
Antiparallele Kopplung
Die anfiparallele Kopplung zweier abstoßender PM's (PM-Paar) erfolgt über die elastische Deformation des magnetostatischen Feldes durch den vermittelnd anziehenden FM. Die vermittelnd magnetische anziehende Austauschwechselwirkung durch einen FM verzerrt das lokale magnetostatische
Feld zwischen den antiparallelen PM's→ Deformationsenergie → Freisetzung wie bei einer gespannten Feder bei FM "AUF". Der FM kompensiert die sich abstoßenden antiparallelen magnetostatischen Momente der PM's durch Anziehung = negative Energie im FM (Austauschkräfte = Überlappung der Magnetfelder zwischen den drei/vier magnetischen Elementen: 2PM's +1 oder 2
FM's).
Bei kinematischem FM wird die dünne FM-Schicht beim Schaltvorgang nach "AUF" durch Luft Gas/Vakum ersetzt; die Wechselwirkung erfolgt nicht durch den FM-Stoff (kinematischer FM).
Die vorgenannte Funktionsweise gilt sinngemäß auch für Supraleitermagnete SM's sowie PE's mit elektrostatischem Feld mit ferroelektrischem FM. Erzeugung von Arbeit
Ein erfindungsgemäßer Feldkraftgenerator weist verschiedene Vorteile auf. In der Position "Zu" des FM befinden sich die 2 Permanentmagnete (abstoßend) und 1 Feldmodulator (anziehend), und damit die Maschine, im Gleichgewichtszustand mit der Energie E=0. Wird der FM geöffnet, so entsteht ein Ungleichgewicht durch die Abstoßung ohne FM-Anziehung und es wird positive Arbeit und Entropie erzeugt. Hierbei bewegt sich, zum Beispiel bei einer FKG-Hubkolben aschine, der PM-Kolben vom oberen Totpunkt (OT) zum unterem Totpunkt (UT) (= Weg Wabι) der Kurbelwelle. Bei UT wird der FM geschlossen, so daß sich der PM-Kolben von UT nach OT ohne Abstoßung auf einem Weg Wa 2 als Teil eines Kreisprozeßes zurückbewegen kann. Die Arbeit Wa wird in einem dissipativen System erzeugt, d.h. positive Arbeit bei Weg Wabι (OT→UT), keine Arbeit bei Weg Wab2 (UT→OT), d.h.
∑Wab=Wabl+Wab2≠0. Bei einem Potential-Feld (konservatives System) ist die Summe der Arbeit ΣWab=Wabι+Wab2=0.
Die durch den Feldmodulator zugeführte Arbeit W2uι = "Auf in OT und WZU2 - "Zu" in UT ist sehr klein. Der kinematische FM kann vorzugsweise auf einer magnetischen Äquipotentialfläche (senkrecht zum Feld), statt parallel im
Potential-Feld bewegt werden. Bei auftretender negativer Arbeit Wzu kann diese durch Kompensation eliminiert werden.
Die Energiebilanz ist somit ΣWabι-ΣW2uι, wobei ΣW2Uι - wegen der Bewegung auf einer Äquipotentialfläche und wegen der Kompensation der Arbeit, sehr klein.
Der Feldkraftgenerator nutzt die Umwandlung von permanenter magnetischer Feldenergie zwischen den Magneten durch Schaltung der Feld-Wirkung - so wird die potentielle Energie der Permanentmagnete in kinetische Energie umgewandelt.
Diese kann als Antriebsenergie genutzt oder einem Elektrogenerator zur Erzeugung elektrischer Primärenergie zugeleitet werden.
Zyklus-Energiebilanz (1 Arbeitsspiel = 360° KW) / Wirkungsgrad (Kraftverstärkung)
1. Arbeitsprozeß
Erfindungsgemäße Anwendung des Pleuellängen-Variators mit Kurbeltrieb mit der Folge der Krafteinleitung bei 90° KW statt klassisch bei 0° KW. 1 Arbeitsspiel = 360° KW, d.h. Hub h - KW-Radius bis Hubzapfen HZ. Arbeitsprozeß (Fig. 130) I. Takt (Kraftaufbau) P i und PM2 stationär in OT-Position (90° KW) im Abstand der FM-Dicke s. PM's und FM im Gleichgewichtszustand. Energie im Grundzustand E=0. 1. Feldmodulator "Auf = PM-Kraftaufbau 1. Stufe Wi Arbeitsaufnahme FM "Öffnen" WIFMAUΓ = JF(St)Δs (W= negativ, weil CoFe ins Feld hineingezogen wird) 2. Polschuhe PS "Zu" zur Überbrückung des Luftspaltes d und damit Erhöhung der Feldkraft Fi = Kraftaufbau 2. Stufe. Wi Arbeitsaufnahme PS "Schließen" WιPSzu = JF(st)Δs (+Wι= positiv = W-Gewinn, weil Ferromagn. Stoff ins Feld hineingezogen wird.) 2. Takt (Arbeitstakt mit magn. abstoßender Kraft F,)) PMi und PM2 bewegen sich von OT (90° KW) m Richtung UT (180° KW) und geben Arbeit W2 an die Kurbelwelle ab. W2 Arbeitsabgabe PM "Hub" W2PM+h = J*F(Sι)Δs Energie Zustand E=positiv, es entsteht magnetische Arbeit und Entropie. 3. Takt (Kraftabbau) PMt und PM2 stationär in UT-Position (180° KW) im Abstand Hub hι. PM's End-Zustand. Energie im Zustand E= positiv. 1. Polschuhe PS "Auf zur Erzeugung des Luftspaltes für den FM und damit Reduktion der Feldkraft F| = Kraftabbau 1. Stufe W-i Arbeitsaufnahme PS "Öffnen" W-ipsAuf = JF(st)Δs (-W-t- negativ = W-Gewinn, weil Ferromagn. Stoff ins Feld hineingezogen wird.) 2. Feldmodulator "Zu" mit Reduktion der Feldkraft Fι→0 » Kraftabbau 2.Stufe Wi Arbeitsaufnahme FM "Schließen" WIFMZU = JF(St)Δs (+Wι=positiv, weil Ferromagn. Stoff ins Feld hineingezogen wird.) 4. Takt (Rück-/Leerhub ohne magn. abstoßende Gegenkraft Ft) PMi, PM2 bewegen sich von UT (180° KW) in Richtung OT (270° KW) und geben dabei keine Arbeit W2 an die Kurbelwelle ab; Rückbewegung bedeutet geringe Arbeitsaufnahme zur Rückstellung ohne magn. abstoßende Gegenkraft. W2 Arbeitsauf name PM "Hub" W2PM-h = / F(S[)Δs → 0 Energie Zustand E→O, es entsteht keine magn. Arbeit und keine Entropie.
2. Zyklus Arbeits-Ergebnis I. Takt (Kraftaufbau)
WiFMAuf = JF(st)Δs, Arbeit kann zusätzlich kompensiert werden WIPSZU = JF(st)Δs, Arbeit kann zusätzlich kompensiert werden
2. Takt (Arbeitstakt mit magn. abstoßender Kraft Fi)
Figure imgf000083_0001
3. Takt (Kraftabbau) -tPSAuf = JF(st)Δs, Arbeit kann zusätzlich kompensiert werden IFMZU = JF(st)Δs, Arbeit kann zusätzlich kompensiert werden magn. abstoßender Gegenkraft Fi)
Figure imgf000083_0002
b i f
ΣWi = W-iFMAuf + IPSZU + iPSAuf + WiFMZu Summe Arbeitsabgabe
Figure imgf000083_0003
Magnetischer Arbeits-Wirkungsgrad ηm=ΣW2/ΣW1 → ηm^1 3. Randbedingung für die Arbeitsintegrale
Randbedingungen für die Berechnung der Arbeitsintegrale im Arbeits-Zyklus (Takt 1-4):
Die beiden Magnete PMi und PM2 müssen in ihrer Lage momentan ortsfest fixiert sein (→ Pleuellängen-Variator) während der Feldmodulator in Stellung
"AUF" herausgezogen wird. (Das System PM-FM-PS darf in diesem Zustand in seiner Bewegung nicht dem freien Spiel der Kräfte zwischen den PM's unterliegen wie bei einer normalen Kurbelwelle ohne Pleuellängen-Variator). Die beiden PMs müssen im Gleichgewichtszustand des Systems sein, während der FM herausgezogen und der/die Polschuh(e) hineingeschoben wird/werden.
Sie müssen momentan ortsfest fixiert sein (Oberer Totpunkt OT genau so wie beim Unteren Totpunkt UT bei 180° KW). Die Kraft-Weg-Kennlinien der PM's bzw. des FM bzw. PS sind deshalb - bis auf die Streufeldeinwirkungen - magnetisch entkoppelt durch die mechanische Fixierung der PM's (bedingt durch die neue Pleuellärigen-Variator- Konstruktion). Insofern beinflussen sich die
Arbeitsintegrale Arbeitsaufnahme Wi (durch den FM bzw. PS) und Arbeitsabgabe W2 (durch die PM's) so gut wie gar nicht. Dies hat erhebliche Folgen für den Wirkungsgrad ηm-W2/Wι= 1. 4. Wirkungsgrad (Fig. 131, 132)
Formeln Arbeit, Wirkungsgrad UT Wi = JFr(s)Δβ [Nm] = Wab =W2 oτ
2 FM symmetrisch mit Impulsausgleich oder Rι Wt= Wi ■ JFf(s)Δs asymmetrisch 1 FM Rr R
Wt = /Ft-(s)Δs [Nm] = Wzu =Wι-/Ft (s) Δs
ηm = V = Wi Wt = Wab WZu = Wa Wi * ηm ηm »
V = Verhältnis Beachte: FM- bzw. PS - Kompensation im Zyklus.
Zusammenfassung der erfindungsgemäßen Funktion des FK-Generators 1. Arbeitsweise
PM = Permanentmagnet, FM = Feldmodulator, PS = Pόlschuhe
Die 4 Takte des Arbeitsspieles sind:
1. Takt - FM Öffnen = Druckaufbau (OT 0° - OT 90° KW) + PS = "Zu"
2. Takt - Arbeiten (OT 90° - UT 180° KW) → Arbeit / Entropie positiv
3. Takt - FM Schließen = Druckabbau (UT 180° - UT 270° KW) + PS "Auf - 4. Takt - Leerhub / Kühlen → Gleichgewicht mit E = 0 (UT' 270° - OT 0° KW) Ein Arbeitsspiel läuft mit Pleuellängen-Variator in 1 Kurbelwellenumdrehung ab = 360° KW (statt 720°
KW wie bei einem Ottomotor). Der Hub ist hierbei = Kurbelwellenradius und nicht Kurbelwellendurchmesser (klassische Kurbelschleife), weil die PM bei OT bzw. UT, den Totpunkten, ruhen, bis sich die KW von 0° auf 90° KW = OT bzw. 180° nach 270° = UT weitergedreht hat, um die Kraft jeweils mit Hebelarm bei 90° KW oder 270° KW übertragen zu können.
2. Verdichtungsverhältnis Arbeitsraum
Er ist der vom Magnet-Zylinder und 2 Magneten umschlossene Raum. Seine Größe ändert sich während eines Hubes gemäß der o.g. Takte. Der Arbeitsraum ist am größten, wenn sich die PM in UT, und am kleinsten, wenn sie sich in OT befinden.
Feld-Verdichtungsraum Vc
Die Größe des Verdichtungsraumes Vc = Luftspalt d bei FM oder
Grenzfläche G bei PS ist der kleinste Arbeitsraum. Feld-Hubraum Vh
Er ist der Raum zwischen den beiden Totpunkten OT und UT des Magnet-Kolbens.
Feld-Gesamthubraum VH Er ergibt sieh aus der Summe der Hubräume der einzelnen Magnet-Zylinder eines FK-Generators/Motors.
Vergleicht man den Raum zwischen den Magnet-Kolben vordem Verdichten durch den FM bzw. PS (Hubraum Vh + Verdichtungsraum Vc) mit dem Raum zwischen den Magnet-Kolben nach dem Verdichten des Feldes (Verdichtungsraum V0), so erhält man das Verdichtungsverhältnis ε (Fig. 133) ε = (Vc + Vh)Λ/0 Je höher das Verdichtungsverhältnis, desto besser ist die Ausnutzung der Feldenergie und damit der Wirkungsgrad des FKG/FKM. Mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis steigt die Quantenfeldtemperatur TQ des Feldes an.
Geometrisches Verdichtungsverhältnis
Bei durch Felder aufgeladenen FKG/FKE ist die Verdichtung geringer, da das Feld bereits hochverdichtet in den Magnet-Zylinder gelangt.
1. Gesetz (Feld-Analogon zu Gas-Gesetz von Boyle-Mariotte) Durch die Auf- und Abbewegung der Magnet-Kolben PMi und PM2 im Zylinder ändert sich mit dem Volumen auch der Felddruck p und die Quantenfeld- Temperatur TQ des Feldes. Entgegen dem Gesetz von Boyle-Mariotte für Wärmekraftmaschinen gilt bei
Feldkraftmaschinen, dass sich bei gleichbleibender Quantenfeldtemperatur TQ, Volumen und Druck im Zylinder mit der Kraft-Weg-Kennlinie der Magnete ändern. Es gilt folgende Gesetzmäßigkeit: Das Produkt aus Felddruck und Volumen ist eine Funktion der Kraft-Weg-Kenntiπie der beteiligten Magnete.
2. Gesetz (Feld-Analogon zu Gas-Gesetz von Gay-Lussac) Unter Einbeziehung der Quantenfeldtemperatur TQ in das Verhältnis von
Volumen und Druck gilt folgende Gesetzmäßigkeit: Wird ein Feld bei gleichbleibendem Druck u 1 K erwärmt, so dehnt es sich um den 1/T0 Teil seines Volumens aus. 3. Druckverlauf
Der Druckverlauf eines Kraftfeldes wird durch die Kraft-Weg-Kennlinie der Magnete bestimmt (Fig. 134):
Der Druckverlauf bei einer Verbrennung hat seinen maximalen Druck bei höchster Temperatur zwischen 6° - 12° Kurbelwelle nach OT (Fig. 135):
Ergebnis
Durch den Vergleich beider Kennlinie (KraftfeldA erbrennung) wird klar, warum neben der Krafteinleitung bei 90° KW mit viel größerem Hebelarm (ca. Faktor 4 gegenüber klassischer Kurbelschleife) eine neue Kurbelschleife mit Pleuellängen-Variator notwendig ist: Bei klassischer Kurbelschleife würde der
Kolben schon nach OT in Richtung UT weglaufen und der kinematische FM müßte in dieser kurzen Zeit bei OT sehr schnell herausgezogen werden; das ist bei der KW mit Pleuellängen-Variator nicht so: Der Magnet-Kolben PMi bleibt in der OT-Position ganz nah am anderen Magnet-Kolben PM2 (also bei maximalem Druck bzw. Kraft), bis die Kurbelwelle die Position OT bei 90° KW erreicht hat.
4. p-V-Arbeitsdiagramm
Die Beziehungen zwischen Felddruck p, Feldvolumen V und Quantenfeld-Temperatur TQ von Feldern lassen sich für ein Arbeitsspiel der
Feldkraftmaschine in ein Druck-Volumen-Diagramm (p-V-Diagramm) übertragen.
Es entsteht dabei ein ideales Diagramm, in dem sich an den jeweiligen Umkehrpunkten der Magnet-Kolben in UT und OT während des Feld-Expansionsvorganges und des Rücklaufvorganges das Volumen nicht ändert, d.h. konstant bleibt.
Gleichraum-Prozess (Feldexpansion mit Druckaufbau):
Die sehr schnelle Feldexpansion durch das Öffnen des FM läuft bei konstantem Volumen ab (Feldmodulator bei OT Öffnen bei konstantem
Volumen bis sich die Kurbelwelle von 0° KW nach 90° KW gedreht hat). Bedingungen bei Gleichraumprozess mit Feldexpansion (Fig. 136):
- Der Zylinder enthält nur Frischfeld und kein Restfeld aus dem vorhergehenden Arbeitstakt - Vollständige Energieumsetzung des Feldes
- Verlustfreier Feld-Ladungswechsel
- Kein Quantenfeld-Wärmeübergang am Zylinder
- Konstantes Volumen während des Druckaufbau- (FM bei OT Öffnen) und Druckabbau- (FM bei UT Schließen) Vorganges - Der Druckaufbau-Raum muß Felddicht sein Prozessabtauf 1 → 2 Gleichgewicht = Leerhub ohne Felddruck (FM geschlossen) =
Bewegung von UT→OT, keine Quantenfeld-Wärmezufuhr (Isentrope) 2 → 3 Felddruck Aufbau = Öffnen des FM → Drucksteigerung bei konstanten Volumen (Isochore) * Feldenergiezufuhr, d.h. der Magnet-Kolben verharrt für die kurze Zeit des Druckaufbaus in OT während sich die KW von 0° nach 90° dreht = OT→OT (Quantenfeld-Wärmezufuhr)
3 → 4 Arbeiten (Entspannen des Felddrucks). Das unter hohem Druck stehende Feld dehnt sich aus und bewegt den Magnet-Kolben von
OT' → UT, das Ausgangsvolumen ist wieder erreicht. Keine Quantenfeld-Abfuhr
4 → 1 Felddruck Abbau = Schließen des FM. Der Vorgang erfolgt bei konstantem Volumen in UT-Positiorϊ, während die KW von 180° nach
270° dreht =UT→UT. Durch Quantenfeld-Abfuhr (= Kühlen) sinkt der Felddruck ab bis im Punkt 1 der Ausgangs-Felddruck wieder erreicht ist. Energiegewinn, Energieverlust
Die im Diagramm (Fig. 136) entstandene Fläche mit den Ecken 1-2-3-4 gibt die während eines Arbeitsspieles gewonnene Arbeit wieder. Durch Eriiöhung des Verdichtungsverhältnisses lässt sich die gewonnene Aώeit vergrößern. Die gewonnene Arbeit könnte größer sein, wenn der FM nicht schon in Punkt 4 schließen würde, sondern erst nachdem sich das Feld bis zum
Ausgangsdruck im Punkt 5 entspannt hat (Magnete müßten einen Hub h→∞ haben). Dies ist in der Praxis jedoch nicht möglich, da die Verlängerung der Feld-Expansion mit der Vergrößerung des Hubes verbunden ist (Langhubmotor). Somit ergibt die Fläche 1-4-5 die verlorene Arbeit wieder.
Verdichtungsverhältnis = (Hubraum +Verdichtungsraum)/Verdichtungsraum ε = (Vc+Vh)/Vc
Verdichtungsraum = FM-Luftspalt d oder Grenzfläche G zwischen den Polschuhen PS
Tatsächliches p-V-Diagramm
In Wirklichkeit läuft der Gleichraumprozess nicht so ideal ab, da die
Bedingungen nicht eingehalten werden können. Der Druckverlauf während der 2 Hübe (2 Magnet-Kolben + 2 FM) eines
Arbeitsspieles lässt sich mit einem piezo-elektrischen Indikator auf dem
Versuchsstand am laufenden FK-Generator/-Motor aufnehmen und als Kurve auf dem Bildschirm sichtbar machen. Dabei sind deutlich die Unterschiede zum idealen p-V-Diagramm zu erkennen (Fig. 136).
5. Steuerdiagramm
Trägt man die Öffnungs- und Schließzeiten des FM in Grad der
Kurbelwellenumdrehungen auf, so erhält man das Steuerdiagramm (Fig. 137). a) Symmetrisches Steuerdiagramm → Detail b) Asymmetrisches Steuerdiagramm → Detail Es gibt einen Überblick über die Steuerwinkel des FM. Der Öffnungs- (0°-90° KW) und Schließwinkel (180°-270° KW) des FM ist immer konstant - jedoch wird der FM innerhalb dieses Winkelsegmentes nicht immer ganz geöffnet (variable Feldkraft) und die Form der Steuerungsnocken ist ebenso variabel (Öffnungs- / Schließ-Profil /
-Geschwindigkeit) und werden durch Versuche für jeden Bautyp so festgelegt, dass der FK-Generator die bestmögliche Leistung abgibt. Da dies über den gesamten Drehzahlbereich nicht möglich ist, werden die FK-Generatoren mit verstellbaren Öffπungs-/Schließnocken ausgerüstet. Die Öffnungs- und Schließwinkel des FM können um einen bestimmten Verstellwinkel verändert werden (variable Steuerzeiten: ggf. FM später öffnen bzw. früher schließen). Die Steuerwinkel der einzelnen FK-Generatoren weichen voneinander ab, so dass es für jeden FK-Generator ein eigenes Steuerdiagramm gibt. In der Regel sind die Winkel vom Öffnen bis zum Schließen des FM um so größer, je höher die
Betriebsdrehzahl des Motors ist.
6. Magnet-Zylindernummerierung, FM-Öffnungsfolgen 6.1 Magnet-Zylindernummerierung. Die Bezeichnung der einzelnen Magnet-Zylinder eines (Verbrennungs-)
Generators/Motors ist genormt. Die Zählung der Magnet-Zylinder beginnt bei der Seite, die der Kraftabgabeseite gegenüberliegt. Bei V-, VR- und bei Boxermotoren beginnt man mit der linken Magnet-Zylinderreihe und zählt jede Reihe durch (Fig. 138).
6.2 FM-Öffnungsfolge und Öffnungsabstand bei Mehrzylinder-FK-Generatoren (Fig. 139)
FM-Öffnungsfolge Sie gibt an, in welcher Reihenfolge die Arbeitstakte der einzelnen
Magnet-Zylinder eines FK-Generators aufeinander folgen.
FM-Öffnungsabstand
Er gibt an, in welchem Abstand in Grad Kurbelwinkel die Arbeitstakte bzw. die FM-Öffnungen der einzelnen Magnet-Zylinder aufeinander folgen. Bei einem
FK-Einzylinder-Generator wird nur eine FM-Öffnung (FM = Auf) auf 1 Kurbelwellenumdrehung benötigt, der FM-Öffnungsabstand beträgt somit 360° KW (Zündabstand bei einem 4-Takt Verbrennungsmotor 720° KW). FM-Öffnungsabstand= 360° KW/Zylinderzahl Je mehr Magnet-Zylinder vorhanden sind, desto kleiner wird der
FM-Öffnungsabstand, der Generatorlauf wird ruhiger und das abgegebene Drehmoment gleichmäßiger. Der FM-Öffnungsabstand ergibt sich durch die entsprechende Magnet-Zylinderanordnung und die dazu passende Lage der Kurbelkröpfungen 2. Feld-Halbleitermo ulatoren
1. Technisches Gebiet auf das sich die Erfindung bezieht. Feld-Halbleitermodulatoren gehören erfindungsgemäß zum Fachgebiet der
Magnetronik.
Die Magnetronik ergänzt den Feldkraftgenerator ("Erzeugung von Energie"), weil durch die Technologie der Magnetronik-Bauelemente der Energieverbrauch gesenkt wird. Ein Feldkraftgenerator, Feldkraftmotor und Pleuellängen-Variator kann auf einem Chip mit integriert sein.
Magnetische/elektrische Feld-Halbleiter-Bauelemente und Anwendung des Prinzips M-/E-Dioden, M-/E-Transistoren, M-/E-Thyristoren, M-/E-IGBT auf den M-/E- Halbleiter-Feldmodulator (FM) :
Die Magnetronik ist eine völlig neue Technologie und Disziplin in der elektromagnetischen F&E, Produktion, Vermarktung und Anwendung. Da Felder Kräfte verursachen und die Feldflüsse gerichtet, getrennt, geregelt, verstärkt oder geschaltet etc. werden, gehören alle Feld-Halbleiter-Bauelemente erfindungsgemäß zu „Feldkraftmaschrnen", auch wenn die Feldkräfte/Flüsse der Feldquellen primär nicht zur Erzeugung von Arbeit, sondern nur zur Modulation,
Verstärkung, Schaltung, Richtung, etc. des Primärfeldes eines Feldkreises genutzt werden!
Gegenüberstellung der Technologien Majoritäts-Teilchen: Elektronen Majoritäts-Teilchen: Magnetronen
= Ladungsträger = Magnetisierungsträger
Elektrotechnik Magnetrotechnik
Elektronik Magnetronik Teilchen und Quanten
In der bisherigen Elektrotechnik und Elektronik fließen als Ladungsträger im Leitungsband Elektronen und Elektronen-Löcher als elektrischer Strom. Dieser Stromfluß erzeugt große Wärme, wenn die Ladungsträger mit den Gitteratomen des Leiters/Hatbleiterkristalls zusammenstoßen, was auch einen großen Energieverlus t mit sich bringt.
Die M-Leiter, M-Halbleiter und M-Isolatoren werden in Magnetika und Dimagnetika unterteilt, wobei alle kristallinen und amorphen Stoffe zur Ferro-Gruppe (incl. Ferri) gehören: Fe, Co, Ni und die Lathanoide Gd, Tb, Dy, Ho, Er. Entscheidend für den Ferromagnetismus ist der relative Atomabstand - unabhängig davon, ob es sich um kristalline oder amorphe Stoffe handelt.
Ferromagnetismus zeigen deshalb auch Stoffe wie MnCu2AI, Cu2MnSn, MnBi.
In der Magnetronik sind folgende Teilchen z.B. Magnetonen und Quanten (= magn. Feldquanten = Magnetronen) wirksam: a) Magnetische Flußquanten Φo als Energie-Feldquanten des magn. Feldes (= Quanten, werden auch als Photonen bezeichnet). b) Magnetonen sind örtlich im Atom fixierte Spinmomente der Elektronen, zumeist auf der 3d-Schale; hieraus folgt die Bohrsche Magnetonenza/?/ais die nach aussen wirksamen Spinmomente des Atoms (andere magn. Momente, z.B. Bahn und Kernmoment, sind vernachlässigbar). Es gibt auch Magnetonen-Löcher = fehlende Spinmomente, sie verhalten sich wie positive magnetische Teilchen im See der negativen Magnetonen. c) Magnetronen = Bindungen und Magnetronen-Löcher = Bindungs-Lücken, letztere verhalten sich wie positive Quanten und fließen als magnetischer Strom lm oder Fluß Φ durch den Festkörper.
M-Halbleiter
Magnetische Halbleiter sind z.B. Kobalt und oder Dysprosium, die mit Fremd- atomen, z.B. Co + Ni oder Co + Fe, dotiert werden. Der Co-Halbleiterkristall verhält sich analog wie im elektrischen Fall z.B. das Silizium: Die Bindungen zwischen den Valenz-Elektronen (3d) sind ungestört, erst die Fremdatome und ein äußeres Magnetfeld sowie Wärme bringen das entscheidende Verhalten. Mit diesen M-Halbleitern können dann M-Bauelemente wie M-Dioden, M-Transistoren und M-Thyristoren etc. für die Lefstungsmagπetronik (z.B.
M-IGTB) mit analogem Verhalten gebaut werden.
B. Einschlägiger Stand der Technik / zu lösende technische Aufgabe
Die Magnetronik / magnetische Feld-Halbleiterbausteine & M-/E-Halbleiter- Feldmodulatoren ermöglichen neue Anwendungsbereiche:
Eriϊndungsgemäß werden statt Elektronenleitung im elektr. Leitungsband jetzt magnetische Flußquanten im magn. Leitungsband genutzt. Insofern gibt es analog der Elektronen und Elektronen-Löcher jetzt Magnetronen (Kopplungen) und Magnetronen-Löcher (Kopplungs-Löcher) im magnetischen Leitungsband.
C. Darstellung der Erfindung 1. Übersicht Funktionsweise
Magnetische Halbleiter, magnetische Störstellenleitung
Das magnetisch halbleitende Material wird durch Dotierung eines Dimagnetikum = ferro-/ferrimagnetischer Feld-Nichtleiter (bzw. Dielektrikum ferro-/ferrieiektrischer Feld-Nichtleiter) erreicht. Als Basiskristall kann z.B. Kobalt oder Dysprosium verwendet werden.
Nm-Halbleiter
Der hochreine Co-Kristall kann z.B. mit Nickel dotiert werden. Es kann auch ein Dy-Kristall z.B. mit Holmium oder mit Erebium dotiert werden. Folge: Magnetisch negativer Halbleiter Nm.
Pm-Halbleiter
Oder Co-Kristall wird mit Fe dotiert. Oder Dy-Kristall dotiert mit Terbium bzw. Gadolinium. Folge: Magnetisch positiver Halbleiters Pm. Auch die Dotierung von z.B. Kobalt oder Dimagnetikum
Figure imgf000091_0001
z.B. Fe02 oder CoO4 mit Lathanoiden ist möglich. Durch die magnetische Störstellenleitung mit Magnetronen auf der Basis von
Magnetonen (μβ") oder mit Magnetronen-Löcher auf der Basis von Magnetonen-Löcher (UB+) entstehen, analog zum elektronischen Prinzip mit Ne und Pe, im magnetischen System Nm- bzw. P -Halbleiter. Magnetische Halbleiterbausteine (bzw. elektrische Feld-Halbleiterbausteine)
Magnetische Bauelemente sind z.B. M-Dioden, M-Bipolar-Transistoren
(M-BT), M-Feldeffekt-Transistoren (M-FET), M-Thyristoren, und auch
M-IGBT, etc.
Ihr Aufbau ist analog der elektronischen Halbleiterbauelemente mit dem Unterschied, daß die Wirkungsweise auf der Basis magnetischer Flußquanten
(bzw. elektrischer Flussquanten) aufgebaut ist. Auch können alle elektronischen
Schaltungen analog in magnetische Schaltungen (magn. Spannung, magn. Fluß) umgeformt werden.
Magnetische Bipolar-Transistoren werden am Arbeitspunkt geschaltet. M-BT und M-FET sind auch als magnetische Verstärker auslegbar.
Magnetische Halbleiter-Feldmodulatoren für FKG
Es gibt magnetische Feld-Leiter, magnetische Feld-Halbleiter und magnetische Feld-Nichtleiter/-lsolatoren (Dimagnetika) (gilt auch im elektrischen Feld mit Dielektrika). Das Kernprinzip des Feldmodulators ist die Steuerung der Leitung der Flußquanten durch a) eine Sperrschicht - Leitfähigkeitsmodulation (M-BT), oder b) der Steuerung des Flußes durch ein magn. Feld quer zum Kanal (M-FET) = Kanalquerschnittsmodulation.
Beide Prinzipien (Leitfähigkeitsmodulation und Kanalquerschnittsmσdulation) können kombiniert werden im M-IGBT-Feldmoduiator.
Im normalen Feldmodulator erfolgt die Flußsteuerung (Leitfähigkeits- oder Querschnittsmodulation) in einem magnetisch leitenden Material. In der
Magnetronik wird das magnetisch leitende durch magnetisch halbleitendes Material ersetzt.
Magnetische Halbieiter-Feldmodulatoren können im Feldkraftgenerator eingesetzt werden.
2 Flußieitung / Flußvariation / Flußsteuerung 2.1. Wesentliche Größen
Elektronisches System Magnetronisches System 1. Elektrische Ladung « Magn. Ladung → Magnetisierung Verschiebungsfluß magnetischer Fluß Q*j"l(t) dt [As] Φ=B A [Vs]
2. Verschiebungsdichte « Magn. Flußdichte (Induktion) D-ε-E [As/m2] B- -HrVs/m2] 3. Elektrische Stromstärke - Magn. Fluß(stärke) 'e s=Uo Re [A] (lm=) Φ=Θo Rm [Vs] 4. Elektrische Spannung ~ Magnetische Spannung Ue= -JE(s) ds [V] (Um=) Θ=JΗ(l) dl [A]
5. Elektrischer Widerstand « Magnetischer Widerstand eines eines homogenen Drahtes homogenen Magnetkernes
Figure imgf000092_0001
Analogien zwischen elektrischem und magnetischem Kreis
Ohmsches Gesetz des magnetischen Kreises: Als magnetischer Kreis wird der Raum bezeichnet, in welchem sich das magnetische Feld in seiner Gesamtheit ausbreitet. Die für den magnetischen Kreis charakteristischen Größen magnetischer Fluß Φ und Durchflutung Θ stehen in engem Zusammenhang, der den Verhältnissen im elektrischen Stromkreis entspricht.
Im magnetischen Kreis eines magnetischen Leiters/Halbleiters werden Elektronen/Elektronen-Löcher durch magnetische Teilchen = Magnetonen/Magnetonen und Löcher und ihre Makros (Domänen etc.) sowie Fluß-Quanten - Magnetronen (M_) (s Bindungen) / Magnetronen-Löcher (M+)
(= Bindungslücken), den Austauschwechselwirkungs-Quanten (→Austauschintegral) zwischen den magn. Systemen ersetzt.
Die Magnetonen (M~) und Magnetonen-Löcher (M+) im M-Halbleiter wandern nicht (sie sind im Atomgitter ortsfest auf den inneren unaufgefüllten
Schalen (FeCoNi 3d4s, Lathanoide 4f5d6s) lokalisiert (beachte thermische Schwingungen), nur die Flussquanten = Magnetronen / Flußquanten-Löcher = Magnetronen-Löcher, breiten sich mit PhasenGruppengeschwindigkeit im Festkörper aus, wenn die (spontane) Polaristion und Kopplung (Bindung) = Austauschwechselwirkung hergestellt wird und sie treten nach außen, wenn eine hierarchische Kette der gerichteten Bindungen besteht (bei Kristallen Polarisation der Kristallkörner (Weissche Bezirke)).
2.2. Klassifikation ferromagnetischer M-Isolatoren, M-Halbleiter, M-Leiter
Magnetische Feld-Leitfähigkeit (Flußquanten) μr-μo, Permeabilitätszahl μr. Elektrisches System (Flußquanten) Magnetisches System (Flußquant)
E-Nichtlβiter = E-Isolatoren M-Nichtleiter - M-Isolatoren im im elektrischen Feld magnetischen Feld
"In Nichtleitern (Isolatoren) sind die Im magn. Nichtleiter (magn. Isolator) Ladungsträger nicht frei beweglich. sind die Magnetisierungsträger Deshalb ist auch das Innere eines (Magnetronen = Flußquanten) nicht Nichtleiters im elektrischen Feld nicht frei beweglich. Deshalb ist auch das feldfrei. Das Feld greift gleichsam Innere eines magn. Nichtleiters im durch den Isolator hindurch magn. Feld nicht feldfrei. Das Feld → Dielektrika. greift gleichsam durch den magn. Isolator hindurch → Dimagnetika.
Elektrischer Kondensator =* Magnetischer Kondensator
"Wird ein Dielektrikum in ein Wird ein Dimagnetikum in ein elektrisches Feld gebracht, so nimmt magnetisches Feld gebracht, so nimmt die elektrische Feldstärke gegenüber die magnetische Feldstärke gegenüber der des Vakuums auf den εrten Teil der des Vakuums auf den μrten Teil ab, während die Kapazität Ce durch ab, während die magn. Kapazität Cm das einbringen des Dielektrikums durch das Einbringen des Dimagneti- auf das εrfache steigt." kums auf das μrfache steigt. εr = Permittivitätszahl oder relative r = Permeabilitätszahl oder relative
Dielektrizitätszahl (dimensionslos) Dimagnetizitätszahl (dimensionslos)
Wert εr stets ≥ 1. Wert μr stets ≥ 1. ε = Permittivität = εo-εr = elektrische μ = Permeabilität = μ μr = magn.
Feld-Leitfähigkeit. Feld-Leitfähigkeit.
Faktor χe=elektrische Suszeptibilität Faktor χm=magn. Suszeptibilität
Xe=(ε 1) Xm=( r-1)
Für Dielektrika ist ε, 1 und deshalb Für Dimagnetika ist μr> und χβ>-0. Für Vakuum εH=1 bzw. χβ=0. deshalb χm 0. Für Vakuum μr \ εr=Ds/Do =ε/εo bzw. χm=0. μ sB^Boμr=μ/μo
- Dielektrika = elektr. Nichtleiter - Dimagnetika - magn. Nichtleiter εr stets ≥ 1, Xe 0 μr stets ≥ 1, χm 0 (→4-302, 12-70) - diaelektrische Stoffe (Abstoßung) - diamagnetische Stoffe (Abstoßung) μr^1 , Xm^0
- paraelektrische Stoffe (Anziehung) - paramagnetische Stoffe (Anziehung) r 1, Xe 0 / 1. Xm 0
- antiferroelektrisch (neutral) - antiferromagnetisch (neutral) εr= , Xe= 0 - unelektrisch /"r=1, Xm= 0 = unmagnetisch
- ferroelektrische Stoffe (Anziehung) - ferromagn. Stoffe (Anziehung) εr»1, Xe^0 Mr^^ Xm^O
- ferrielektrische Stoffe (Anziehung) - ferrimagnetische Stoffe (Anziehung) E/M-Systematik Leitfähigkeit Werkstoffe Permittivitätszahl Permeabilitätszahl Geordnet nach steigender magnetischer Feld-Leitfähigkeit/Permeabilität
1. Dielektrika εr Dimagnetika (μr → w) Jeder Isolator ist letztlich ein schlechter Leiter, beachte dielektrische bzw. dimagnetische Verluste δ (bei >εr bzw. >μt →>δ0, bei - εr bzw. <μr → - δ0).
1.1 Antiferroelektrisch Antiferromagnetisch r=1 unelektrisch μr^l uπmagnetisch Cr, FeO2l C0O4, NiO t.2 Ferroelektrisch Ferro agnetisch εr= ≥1 ... 106 μf= ≥1 ... 106 stark elektrisch stark magnetisch Fe, Co, Ni, Gd, Tb, » Dy.Ho, Er t Paraffin 2,2 NdFeB (hart)1,05
Figure imgf000094_0001
^ m Wasser 81
^εr Keramik (NDK - Typ-I-K) 10-200 AINiCo450 3 ßτ Keramik (HDK = Typ-Il-K) 700-104 FeCoVCr IO i Ferroelektrische Typ-Ill-Kond.- εr Scheibe (z.B. Bariumtitanat), die 3%SiFe 6-103
>μt durch Reduktions- und Oxidations- Fe rein 1,5-103 Re prozesse Halbleitersperrschichten CoFe 1-103 Rm bildet, die wie ein Dielektrikum Mumetall 5-104 wirken (spannungsabhängige Ce) amorph CoFe 1, 5- 105
1.3 Ferrielektrisch Ferrimagnetisch εr= 3 ... 103 μf= 3 ... 103 stark elektrisch stark magnetisch E-Ferrite M-Ferrite: (→ 12-73) n(MeO) M(Fe2O3 Ferrite (hart) 1,3 Ferrite (weich)1-103
2. Diaelektrisch Diamagnetisch εr-<1 Abstoßung vom μ <\ Abstoßung vom elektrischen Feld Magnetfeld Cu, Si, Bi, Pb, H2O
3. Paraelektrisch Paramagnetisch εr 1 Anziehung vom μr>1 Anziehung vom elektrischen Feld M-Feid: AI, Pt, Ta, Luft 2.3 Magnetische Halbleiter
2.3.1 Grundlagen und Grundbegriffe der magnetischen Halbleiter
E-Teilchen - Elektron e" Elektrische Elementarladung als Vaienz-/Leitungseiektron
E-Teilchen - Defektelektron Im Atom fehlendes Elektron = Loch von äußeren Schalen (→Valenz-/Leitungselektronen-Loch) (wirkt wie positive Ladung e+)
E-Quant - Elektronen-Bindung bzw. Elektronen-Bindungslücke
E-Teilchen - Bewegung/Leitung der Elektronen bzw. der Elektronen-Löcher
M-Teilchen - Bohrsches Magneton μe~ (bei e-) und μs+ (bei e+) Magnetonenzahl = Maßeinheit für Summe der lokalen Elementarmagnete (den Elektronen-Spinmomenten) → Zahl der magnetisch wirksamen Elektronen der magnetisch unkompensierten inneren Elektronenschale je Atom. Diese sind nur eine notwendige, aber nicht hinreichende Voraussetzung für den Ferromagnetismus (Sättigungspolarisation).
M-Quant - Magnetron M" bei μβ~ = Kopplung (Bindung) zwischen zwei Spinmomenten = Elementar- Maßeinheit (Feld-Quanten) und quantifizierbar →Flußquant ΦQ.
M-Quant - Magnetron-Loch M+ - Defektmagnetron bei μe* Fehlende Kopplung zwischen zwei Spinmomenten
M-Quanten - Bewegung/Leitung M", M+ Im magnetischen Halbleiter werden statt Elektronen und Elektronen-Löchern magnetische Bindungen = magnetische Kopplungen (Magnetronen) und magnetische Löcher (Magnetronen-Löcher) bewegt. → Magnetische Halbleiterbauelemente, z.B. M-Diode, M-Transistor, M-Thyristor, und M-Halbleiter-Feldmodulator
M-Teilchen - Atom-Magneton Aμβ" und Atom-Magneton-Loch Aμs+ Summe = Anzahl der Spinmomente μβ im Atom (nicht Bindungen)
M-Quanten - Atom-Magnetron AM" Bindung der Summe der Spinmomente - Kopplung über Austauschwechseiwirkung zum relativen Atomabstand (→Bethe-Slater-Kurve) (-Kraftwirkung durch Überlappung der Elektronenschalen und damit verbundener Austausch von Elektronen unter benachbarten Atome bzw. Ionen). Koppiungskrätte bewirken, daß sich Atommagnete parallel stellen einzelnen Atome. Die Kopplung/ Bindung/ Austauschwechselwirkung ist die hinreichende Voraussetzung für Ferromagnetismus. Das Magnetron ist in der Magnetronik ein Kopρlungs"trägeι" = Ferro-Magnetisierungs-Grappe. Beachte Spinstellung und Kopplung bei Femmagnetismus. M-Quanten - Atom-Magnetron-Loch AM* = fehlender Kopplungs-/ Bindungs- "träger" = Defekt-Atom-Magnetron - Defekt-Spinmoment-Kopplung-Gruppe 2.3.2 Magnetische Feld-Leitfähigkeit von Festkörpern
Zahl und Magnetronen-Beweglichkeit (Beweglichkeit der Austauschwechselwirkung) und spontan magnetisierte Domänen in den verschiedenen Stoffen, bestimmen ihre spezifische Eignung zur Leitung des Magnetstromes (Magnetronen * Flußquanten).
M-Leϊter (μ≥ 1 →max) M-HaJbleiter M-Nichtleiter = M-Isolatoren (μ≥ 1 )
Ferromagnefikum Kobalt + FA Ferromagnetikum
Ferrimagnetikum Dysprosium + FA Ferrimagnetikum = Wirtskristalle Antiferromagnetikum μ=1 FA = Fremdatome
Magnetische Metalle, magnetische Isolatoren, magnetische Halbleiter Magnetische Leiter (→ Magnetikum)
In magnetischen Metallen (Ferromagnetismus) ist die Zahl der gebundenen magnetischen Flußträger (Elektronen-Spinmoment-Kopplung der inneren unkompensierten Schalen = Elementar-Magnetron) groß, die Magnetronen-Beweglichkeit (Verschiebung / Drehung von Spinmoment- Kopplungs-Gruppe = Domänen) ist jedoch verschieden, je nach hart- (schwer) oder weich-magnetisch (leicht).
Magnetische Isolatoren (→ Dimagnetikum) In magnetischen Isolatoren (→Paramagnetismus) ist die Zahl der durch Austauschwechselwirkung gebundenen Spinkopplungen = Magnetronen / Magnetronen-Löcher praktisch Null (Fe-Einzelato = paramagnetisch) und dementsprechend die magnetische Leitfähigkeit wegen fehlender
Spinmoment-Kopplungen (= Magnetronen) verschwindend klein. Der Zustand der Nicht-Leitfähigkeit tritt auch bei Überschreitung der Curie-Temperatur ein, beachte μ-T-Kennlinie. Magnetische Halbleiter
Die magnetische Leitfähigkeit von magnetischen Halbleitern liegt zwischen den von magnetischen Metallen und magnetischen Isolatoren, sie ist stark abhängig vom Druck (beeinflußt Beweglichkeit der magn. Flußö"äger= Magnetronen), Temperatur (Zahl und Beweglichkeit der Magnetronen, äußere Feldeinstrahlung (Zahl der Magnetronen), und zugeführten
Fremdstoffen (Zahl und Art der Fremd-Magnetronen/-M-Löcher). Dotierung mit Fremdatomen (FA)
Durch Dotieren (kontrollierter Einbau von magnetisch wirksamen Fremdstoffen) läßt sich die magnetische Leitfähigkeit von magnetischen Halbleitern definiert und lokalisiert einstellen. Dies ist auch die Grundlage eines magnetischen Feld-Halbleiter-Feldmodulators als Bauelement des FKG.
2.3.3 Spezifischer magnetischer Widerstand/Leitfähigkeit
Magnetische Leitfähigkeit Permeabilität μ=μrμo:
Wie der Ohmsche Widerstand Rθ ist auch der magn. Widerstand Rm proportional zur Länge des magn. Leiters (lm = mittlere Länge) und umgekehrt proportional zur
Querschnittsfläche wirksam.
Der spezifische magnetische Widerstand von magn. Halbleitern liegt zwischen dem magn. Leiter und dem von magn. Nichtleitern. Er ist stark von der Dotierung mit Fremdatomen, der Temperatur wie dem Magnetfeldeinfall H
(= elektromagnetische Welle mit Poyntingvektor S=E x H, Komponente H wirksam) abhängig.
Spezifischer magn. Widerstand pm=1/μ [pm=A Wb mm /m] magn. Leitfähigkeit/Permeabilität μ=1/pm = μoμr = B/H magn. Widerstand Rm=(1/μ) l/A = Θ/Φ [A/Wb=A/Vs=1/Ωs]
Bohrsche Magnetonen
Bohrsche Magnetonen → magn. wirksame Elektronen je Atom (= Magne- tonenzahl je Atom) bewirken die Magnetisierung, wandern aber nicht 1): Magnetisches Moment "Das Bahnmoment trägt zum Magnetismus des Atoms praktisch nichts bei, sondern nur das Spinmoment des Elektrons. Die Einheit dieses Moments heißt Bohrsches Magneton. Die ferromagnetischen Elemente haben im Mittel je Atom eine charakteristische Zahl von n Magnetonen (μβ"). Diese kann mit Hilfe der Neutronenbeugung experimentell bestimmt werden. Daraus kann die Sättigungspolarisation Js und Sättigungsmagnetisierung Ms berechnet werden. Bohrsches Magneton, die Göße ist pm=9,2742-10~24 A-m2. Mit Feldkonstante μo multipliziert erhält man μB "=1,1654-10"29 s-m. Element n Eisen -2,218 (negativ wegen e" von e") Kobalt -1,714 Nickel -0,604 Das magnetische Moment hat die Dimension A-m2, die Magnetisierung als magn. Moment je Volumeneinheit die Dimension A-m2/m =A/m (gleiche Einheit wie die Feldstärke).
Makro-Magnetonen a) In kristallinen Stoffen: Kristallkörner (Makros) mit ihren gerichteten Atom-Momenten = spontan gerichtet über magn. Kopplungs-/Bindungkräfte der Atome (Spinmoment-Kopplung/Bindung). Permeabilität abhängig von Kristallenergie, Magnetostriktion, Strukturparameter wie Kristallkorngröße, Zahl und Art der Gitterfehler und Fremdkörper, innere Spannungen u.a. b) In amorphen Stoffen: Atom-Momente sind direkt wirksam. Permeabilität abhängi von lokalen Anisotropie sowie durch die durch Magnetostriktion bedingten Spannungen neben Oberflächeήrauigkeit. Makros in Legierungen « Weisssche Bezirke a) Im kristallinen Stoff: Weisssche Bezirke (Bezirk spontaner Spinausrichtung (= Korn = Kristallit)= Vorzugsrichtung der Atommagnete (Magnetonen) durch Kräfte zwischen der spontanen Magnetisierung und dem Kristallgitter = magn. Anisotropiekräfte = Kristallanisotropie) hängen allein von den Kopplungs-/Bindungskräften zwischen den Atomen ab ohne Mitwirkung eines äußeren Magnetfeldes. → Bei Einkristallen sind keine Komgrenzen vorhanden und die Elementarzellen (EZ) liegen parallel zueinander. Eine Elementarzelle ist das kleinste Volumen, durch dessen identische dreidimensionale Wiederholung das Kristallgitter aufgebaut ist. → Korn = Kristallit - Weissscher Bezirk = magn. Vorzugsrichtung → Makro-Einheit der Elektron-Momente/Atom/Atomlayer/Elementarzelle/ Kristall. Prozesse: 1. Verschiebung + 2. Drehung. b) Im amorphen Stoff (hat keine geordnete Raumgitter, d.h. keine Kristallkörner und keine Korngrenzen): Weisssche Bezirke hängen allein, von Kopρlungs-/Bindungskräften zwischen den Atomen ab ohne Mitwirkung eines äußeren Magnetfeldes. Eine bestimmte Ordnung besteht nur im Nahbereich. Modell: Metallatome sind in dichten Kugelpackungen angeordnet (Tetraeder-Kugelhaufen (Cluster)); Ordnungsgrad und Symmetrie sind nicht so hoch und Packung nicht so dicht und raumerfüllend, dass ein Kristall entstehen könnte. → Makro-Einheit der Elektron-Momente/Atom/Atomlayer/Elementarzelle (= Kugelpackung). Prozesse: fast nur Drehprozesse, da keine Anisotropiekonstante vorhanden ist. Spinkopplung benachbarter Atome → Kopplungskräfte, Abstand der Atome
→ Austauschwechselwirkung (Bethe-Slater-Kurve) → Ferromagnetismus → Weisssche Bezirke primär durch Kopplungskräfte magnetisiert (in kristallinen und amorphen Stoffen) (Synonym: Kopplung = Bindung). Flußquanten-Makros = Magnetronen-Makros
Die magn. Energie der Magnetonen ist im Raum zwischen den Magnetonen durch Magnetronen lokalisiert und breitet sich durch Flußguanfen Φ0 (= Magnetronen) aus, Die Magnetronen bilden durch Austauschwechselwirkung Makros, die wiederum Magnetronen-Makros bilden - entsprechend der hierarchischen
Ordnung im ferro-/ferrimagnetischen Festkörper. Je höher die magnetische Leitfähigkeit, um so besser die (Makro-) Magnetronen-Beweglichkeit = Ausbreitung der Flußquanten (Quantenmakros entsprechend der hierarchichen Ordnung der Makros Atome, Layer/Cluster, Einkristalle, Kristallite, ... ). Bei magnetischen Teilchen = Magnetonen-Makros: Verschiebungs- und Dreh-Prozesse. Sehr hohe Beweglichkeit /Ausbreitung der Magnetronen-Makros (Atome, Atomlayer, Elemetarzelle, EinkristaH/Kristallite) bei magnetischer Flüssigkeit (vgl. lonentransport).
Systemetik magnetischer Teilchen und Quanten
A. Schema Magnetronisches System Struktur gemäß Festkörper-Hierarchie
Parallele Spinausrichtung in: 1) Elektronen-Spinmoment = Bohrsches Magneton = μs±=Pm±-μo. → Magnetron 1 = Flußquant.
2) Aton Ion-Magneton * Bohrsche Magnetonenzahl
Figure imgf000099_0001
→ Atom-Magnetron AM* = Flußquant. Magnetisches Jon lm* bei Aμe*.
3) Atom- lon-Elementarzelle kristallin/amorph
4) Atom-Layer
5) Weϊssscher Bezirk (kristallin oder amorph) 6) Festkörper aus n Weissschen Bezirken
B. Strukturdetails
1. Negative Elementar-Magnetisierung = Magneton = μβ~ (Ursache negative Elektron-Ladung e" → negatives Spinmoment μB ~) = negatives Moment eines Elektrons (=μB ~) = Valenz-Magneton
1.1 Magneton-Loch (fehlendes Magneton =μe+)
(Ursache positive Elektron-Ladung e+oder fehlende Ladung → positives Spinmoment μe+) = positives Moment eines Magnetons (→ positive Elementar-Magnetisierung)
= äquivalent fehlende Magnetisierung/magn. Moment = Valenz-Magneton-Loch
1.2 Magnetronen (M")/Magnetronen-Loch (M+)
Negative bzw. positive Elementar-Flußquanten sind die FeldrelationenZ-quanten = Magnetronen/Magnetronen-Löeher
= magnetische Energie im Raum zwischen den Magnetonen bzw. Magnetonen-Löchern . → Leitungs-Magnetron/-Magnetroπ-Loch 2. Negative Magnetisierung Atom
= Atom-Magneton AμB "Än-μ_f = negatives Moment des Atoms
2.1 Positive Magnetisierung Atom = Atom-Magneton-Loch Aμs+=n -μe+
= positives Moment des Atoms = äquivalent fehlende Atom-Magnetisierung 2.2 Atom-Magnetronen (AM") / Atom-Magnetronen-Löcher (AM+) - Negative bzw. positive AM-Fluδquanten
= magnetische Energie im Raum zwischen den Atom-Magnetonen/A-Magnetonen-Löchern.
2.3 Magnetisch negative oder positive Ionen Im*
2.3.1 Magnetisch positives Ion
Im allgemeinen sind nur aus Elektronen-Spinmomeπteπ erzeugte
Magnetonen (μe~) und Magnetonen-Löcher (verhalten sich wie positive Magnetroen (μB +), sowie ihre zugehörigen Magnetronen (Bindungen) und
Magnetronen-Löcher (Bindungslücken), letztere verhalten sich auch wie positive Magnetronen), vorhanden.
Wenn 1 AM" als Leitungsmagnetron Aμs" verläßt, fehlt eine Bindung
→ daraus entsteht ein magnetisch positives Ion (lm +) Tm + = magn. positives Ion: Fehlen einem Atom Magnetronen (Bindungen), ist es magnetisch positiv magnetisiert, es entsteht ein Nm -Feld-Halbleiter.
2.3.2 Magnetisch negatives Ion
Wenn 1 AM" als Leitungsmagnetron bei AμB " fehlt, hinterläßt es eine Bindungslücke,
→ daraus entsteht ein magnetisch neagtives Ion (lm ") lm " - magn. negatives Ion: Hat das Atom mehr Magnetronen-Löcher, ist es magn. negativ magnetisiert, es entsteht ein Pm-Feld-Halbleiter. 2.3.4 Beachte bei magnetischen Ionen:
Bei elektrischen Ionen le ist das Atom dann absolut elektrisch neutral, wenn die
Elektronenzahl gleich der Protonenzahl im Kern ist.
Idealer M-Isolator = magnetisch neutral
Bei magnetischen Ionen lm ist das Atom magnetisch absolut neutral, wenn die Bohrsche Magnetonenzahl in der Elektronenhülle = null ist = magnetisches
Null-Niveau der Spinmomente der Elektronenhülle = idealer M - Isolator. Das System ist nicht logisch gleich dem elektrischen System, d.h. den magnetischen Momenten der Protonen im Kern; die Kemmomente sind viel schwächer als die Spinmomente und tragen fast nichts zur Magnetisierung bei.
Es gibt im magnetischen System zwei Niveaus: a) Das absolute Niveau mit absolut negativen oder positiven Spinmomenten (Fe, Co, Ni hat negatives Aμβ", weil von negativen Elektronen kommend und im Überschuß (im zeitlichen Mittel parallele zu antiparallelen Momente). b) Das relative Niveau: Wenn Aμe" des Atoms im Vergleich zum umgebenden Halbleiter-Atom (z.B. Co) negativ oder positiv ist (→ magn. Störstellenleitung), so dass in Bezug zum Aμβ" des Kristalls das Bohrsche Magneton der Fremdatome kleiner (→lm + z.B. Fe zu Co →Pm-Leiter) oder größer ist (→lm " z.B. Ni zu Co → Nm-Leiter).
Die Magnetisierungs- bzw. Bindungsbasis ist das magnetische Kristall-Gitter (im elektrischen Falle ist die Elektronenpaar-Bindung des - elektrischen Kristall-Gitters die Basis). Bei sehr niedrigen Temperaturen sind e-Halbleifer elektrische Nichtleiter =Dielektrikum. Bei M-Halbleitern hängt die Leitfähigkeit (Austauschwechselwirkung aufgrund
Kopplung der Spinmomente mit relativem Atomabstand) ebenso von der
Temperatur ab, analog der Nichtleitfähigkeit im e-Halbleiter bei <T, → Dimagne- tikum (Fig. 140 und 141).
Durch ein spezielles Stoff-Design kann man diese Nicht-Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen umkehren. (Fig. 141)
Durch Anhebung der Temperatur wird, analog wie im e-Halbleiter, die magn.
Leitfähigkeit erhöht, dadurch werden Bindungen hergestellt → es entstehen frei beweglich Leitungsmagnetronen (Bindungen = M-Kopplungen zwischen den Atomen).
Beim M-Halbleiter sind die Magnetonenpaar-Bindung = Magnetronen; die
Atome werden dadurch mit der magnetischen Komponente zusammengehalten.
3. Aton Ion-ElementarzeHe kristallin/amorph
Kristallines Metall: Atomordnung = streng periodische Anordnung in Raumgitter = Elementarzelle (verschiedene Konfigurationen) Elementarzelle = Ordnung mit Raumgitter. m Gitterpunkte des Raumgitters mit Atom-Elementarmagnete, Kopplung durch Austauschwechselwirkung (<=> Atomabstände) benachbarter Spins → n wirksame Elementarmagnete < m Gitter-Atome Beachte Elementarzellen-Magneton und Magnetron Amorphes Metall: Atomordnung = regellos angeordnet Elementarzelle = Ordnung nur im Nahbereich verschiedene Konfigurationen: = Tetraeder oder Ikosaeder mit je m Eck-Atomen S Tetraeder oder S Ikosaeder bilden einen Kugelhaufen/Cluster m Eckpunkte mit Atom-Elementarmagneten, Kopplung durch Austauschwechselwirkung (<=* Atomabstände) benachbarter Spins → n wirksame Elementarmagnete < m Eck-Atome Beachte Elementarzellen-Magneton und Magnetron
4. Atom-Layer
→ Ferromagnetismus-Elementarzelle (FEZ)
Ursache = S Elementarzellen (Raumgitter oder Cluster) → ALμB ±= s-n-μs*- FEZ Min. S = 6 Schichten (S) = Beginn des Ferromagnetismus.
Beachte bei kristallinen Stoffen: Ordnung isotrop oder Richtungsordnung (anisotrop) mit bestimmter magn. Vorzugsrichtung (Magnetfeldglühung, etc.)
4.1 Atom-Layer-Magneton = negative Atom-Layer-Magnetisierung ALμs"
= negatives Moment eines Atomlayers
4.2 Atom-Layer-Magnetoπ-Lσch = ALμs+ = positives Moment eines Atomlayes 4.3 → ALM" Magnetron und ALM+ Magnetron-Loch = Äustauschwechselwirkung der FEZ
Negative bzw. positive AL±/AC±-Flußquanten sind die Feldrelationen/-quanten = magnetische Energie im Raum zwischen den ALM" bzw. ALM+-Löchern.
Die ALM* treten wegen des Beginns des Ferromagnetismus ab der 6. Schicht als ALM±-Flußquanten nach außen und ermöglichen die Ferro-Magnetisierung der Kristalle und damit die Weissschen Bezirke. 5. Weissscher Bezirk (kristallin oder amorph)
→ einheitliche Spinrichtung im Weisssche Bezirk (Marko-Spinmoment)
Kristallin: Einkristall/Kristallkom (Kristallit) aus FEZ
Kristallkörner - Kristallite (bestehen aus über größere Bereiche regelmäßig
(streng periodisch) angeordneten Raumgittern Amorph: regellose Anordnung direkt aus den FEZ
6. Festkörper aus n Weissschen Bezirken → Makro-Spinmoment s Permanant-Magnet (PM) 2.3.4 M-Halbleiterkristall
Magnetische Leitfähigkeit von magnetischen Halbleitern
Die genaue Kenntnis der magnetronischen statt elektronischen Struktur der Festkörper ist notwendig. M-Leiter Typen-Klassifizierung
M-Nichtleiter: μr ≥ 1 bis ^104, z.B. auch hartmagn. Stoffe mit r« 1,06
M-Halbleiter: μr 104 bis > 105
M-Leiter: μr 105 bis 106 Temperaturabhängige M-Halbleiter
M-Halbleiter sind bei a) tiefen Temperaturen M-Nichtleiter und bilden freie Magnetronen bei Normaltemperatur (= gesteigerte magn. Leitfähigkeit) b) M-Halbleitermit umgekehrter Temperatur-Leitfähigkeits-Funktiσn lassen sich in umgekehrter Funktion im Tieftemperaturbereich verwenden.
Entgegen den elektrischen Halbleitern sind magnetische Halbleiter bei sehr tiefen Temperaturen auch magnetische Leiter, wenn man sie so designed (Stoffdesign)! M-Halbleiter → analoges Verhalten wie elektronische e-Halbleiter;
→ Verhalten wie Anti-M-Halbleiter.
Die Leitfähigkeit des magn. relativen M-Isolators läßt sich durch Zusetzen von M- Fremdstoffen/M-Fremdatomen bei (M-Halbleiter Dotieren, bei M-Leiter Legieren) oder durch äußere Einflüsse, z.B. durch magnetische Felder, stark beeinflussen.
Als Basismaterial wird ein relativ magnetischer "Nichtleiter" = M-Isolator, z.B. Cobalt oder Dysprosium (etc.) als M-"lsolator"-Atom, ohne freie magnetische Spinmoment-Kopplung, d.h. ohne freie Leitungsmagnetronen, d.h. a) bei T Tc oder b) bei sehr tiefer Temperatur (→ μ-T-Kennlinie) verwendet Magnetische Eigenleitung Durch Wärmezufuhr oder magn. Feldeinwirkung werden auch in undotierten M-"lsolatoren" freie magnetische Magnetronen (= Flußträger = Magnetisierungsträger) erzeugt: Spinmoment-Spinmoment-Loch-Paare (μ& → M+), die zu einer Eigenleitfähigkeit des M-"lsolators" führen (→ μ-T-Kennlinie).
Ferromagnetische Makro-Quanten ALM" und ALM+ der Atom-Layer
Spinmoment-KopplungZ-Bindung = nicht das Spinmoment alleine (= M-Teilchen), sondern die Spinmoment-Kopplung über Austausch- Wechselwirkung aufgrund des relativen Atomabstandes führt zu
Ferromagnetismus, d.h. M-Makro-Quanten. Diese ferromagnetischen M-Makro- Quanten sind die eigentlichen Magnetronen, denn diese bewirken bei der Temperatur T erst die magnetische Leitfähigkeit; wenn die Bindung nicht da ist, dann besteht auch kein magnetischer Strom/Fluß von Magnetronen bzw. Magnetronen-Löchern (beachte auch die magn. Wirkung de> Atommagnete in der Elementarzelle),
Nm-Dotierung m-Dotierung: Einbau von Fremdatomen mit einer freien magnetischen Spinmoment-Kopplung, d.h. das Atom muß ein magnetisches Spinmoment mehr haben als das M-"lsolator"-Atom. Jedes eingebaute M-Fremdatom liefert also ein freies, "negatives" Spinmoment und zugehörige Bindung
(= magnetische Nm-Kopplung). Der M-"lsolator" wird magnetisch Nra-Ieitend. Pm-Dotierung
Pm-Dotierung: Einbau von Fremdatomen mit einer fehlenden Spinmomet-Kopplung, d.h. das eingebaute Fremdatom erzeugt magnetische Kopplungslücken ("positiv" magnetische "Löcher" = Magnetronen-Löcher), denn zur vollständigen Kopplung mit dem Nachbaratom über Austauschwechselwirkung fehlt dem Fremdatom ein "positives" Spinmoment und zugehörige Pm-Bindung.
Diese Bindungslücke heißt magnetisches Loch oder Defekt-Magnetron. M-Löcher sind im M-"lsσlatσr" beweglich. In einem magnetischen Feld wandern sie in entgegengesetzte Richtung wie die Magnetronen-Kopplungen. M-Löcher verhalten sich wie freie positive M-Kopplungeπ. Jedes eingebaute
M-Fremdatom liefert also ein freies, positiv magnetisiertes Defekt-Magnetron (magnetisches Loch). Der magnetische "Isolator" wird magnetisch Pm-Ieitend.
PmNm-Übergang / Grenzbereich im magnetischen Halbleiter Der Grenzbereich zwischen einer Pm-Ieitenden Zone und einer
Nm-Ieitenden Zone im selben M-Halbleiterkristall wird PmNm-Übergang genannt.
PmNm-Übergang ohne äußere magnetische Spannung Im Pm-Gebiet sind sehr viele magnetische Löcher (O), im Nm-Gebiet extrem wenige; im Nm-Gebiet sind sehr viele Magnetronen (•), im Pm-Gebiet extrem wenige. Dem Konzentrationsgefälle folgend diffundieren magnetische Magnetronen (Flußquanten = Magnetisierungsträger) ins jeweils andere Gebiet (magnetische Diffussionsströme/-flüsse). Durch den Verlust an magnetischen Löchern (Kopplungs-/Bindungs-Lücken) magneti isiert sich das Pm-Gebiet magnetisch negativ auf; durch den Verlust an magnetischen Kopplungen/Bindungen magnetisiert sich das Nm-Gebiet magnetisch positiv auf.
Dadurch bildet sich zwischen Pm- und Nffl-Gebiet eine magnetische Spannung aus (Diffusionsspannung), die der magnetischen
(Kopplungs-/Bindungs-)Träger Wanderung (= Magnetronenwanderung) entgegenwirkt.
Der Ausgleich von magnetischen Löchern (= Magnetronen-Löcher) und magnetischen Kopplungen (= Magnetronen) kommt hierdurch zum Stillstand. Ergebnis: Am PmNm-Übergang entsteht eine an beweglichen
Kopplungenfträgern) verarmte, magnetisch schlecht leitende Zone, die Raummagnetisierungszone oder Sperrschicht, in ihr herrscht ein starkes magnetisches Feld. PmNm-Übergang mit äußerer magnetischer Spannung (Fig. 142)
Sperrfall (1) : Magnetischer Minuspol (S) am Pm-Gebiet und magnetischer Pluspol (N) am Nm-Gebiet verbreitert die magnetische Raummagnetisierungszone: Infolgedessen ist der magnetische Stromfluß gesperrt bis auf einen geringen Rest (M-Sperrstrom/-fluß), der von den Minorität-Magnetisierungs- trägem herrührt.
Durchlassfall (2): Magnetischer Pluspol (N) am Pm-Gebiet und magn. Minuspol (S) am Nm-Gebiet baut die Sperrschicht ab. (Kopplungen-/Bindungen-) Magnetisierungs-Träger (= Magnetronen) überschwemmen den PmNm-Übergang, und es fließt ein großer magnetischer
Strom/Fluß in Durchlassrichtung.
M-Durchbruchsspaπnung: Magnetische Spannung in Sperrichtung, von der ab eine geringe magnetische Spannungserhöhung einen steilen Anstieg des magnetischen Sperrstroms (-flußes hervorruft.
Ursache: Herauslösen gebundener Magnetronen aus dem Kristallgitter in der Raummagnetisierungszone infolge hoher M-Feldstärke oder infolge von Stößen beschleunigter Magnetronen, die andere Magnetronen aus ihren Bindungen der inneren Elektronenschalen schlagen (es entstehen magnetische Löcher (Bindungslücken), weil koppelnde Spinmomente fehlen), was zu lawinenartiger (Kopplungs-/Bindungs-) Magnetisierungs-Träger-Vermehrung (= Magnetronenvermehrung) führt (magnetischer Lawinendurchbruch). 2.3.5 Atomarer Aufbau
M-Halbleiter bilden ein Kristallgitter. Je zwei M-Halbleiter - Atome haben n gemeinsame Spinmomentpaare (= Magnetonen durch ungesättigte Elektronenbesetzung), die durch Kopplungskräfte der Spinmomente ab sechs Atomlagen/Layer (bei Kristallen) bei T- Tc ein Ferromagnetikum bilden.
Bohrsche Magnetonen-Zahl n je Atom = AμB ~:
Fe je Fe-Atom von sechs 3d-Elektronen im zeitlichen Mittel -4,1 parallel und -1,9 antiparallel gerichtet, so dass -2,218 als wirksam nach aussen übrigbleiben, deshalb Aμβ" Co = -1,714 je Atom wirksam nach aussen (negativ wegen μB " von e") Ni = -0,604 je Atom wirksam nach aussen "
→ Elektronen-Spinmoment-Bindung durch Austauschwechseiwirkung mit den Spinmomenten der Nachbaratome.
Die M-Elementhalbleiter haben z.B. bei Kobalt 3d7 Vaieπz-Magnetonen (= Spinmomente ), die mit Magnetonen der Nachbaratome im zeitlichen Mittel bei T<Tc zum großen Teil keine magn. Magnetronenpaarbindungen (Kopplungen durch Austauschwechselwirkung) eingehen, weil dieser große Teil der Elektronenschalen im Atom schon aufgefüllt ist.
Die unaufgefüllten Elektronenschalen/-Orbitale, d.h. die nach aussen durch Magnetroneπvwrfcsamen Magnetonen Aμβ" (vgl. wirksame Bohrsche Magnetonen), können Kopplungen bilden und erzeugen dadurch die spontane Magnetisierung.
Atommomente sind bei Temperatur T -Tc ungekσppelt, das Eiπzelato ist paramagnetisch.
Durch gerichtete Energiezufuhr (H-Feld) können einzelne "freie" Magnetonen ausgerichtet (polarisiert) und bei T- Tc gekoppelt werden mit der
Folge, daß diese "freien", im Einzelatom ungesättigten, nun nach außen gerichtet wirksamen Magnetonen, im Kristall die gekoppelte und gerichtete kohärente Überlagerung, durch funktionsabhängige Addition der Magnetronen (M-Influenzfunktion im Stoff) mit den "freien" Magnetronen der Nachbar-Atommomente, bewirken.
Im magnetischen Bändermodell entspricht dieser Polarisations-, Koppel-/Bindung und Überlagerungs-Vorgang (betrifft in der Hierarchie auch die Kristallite) der Anhebung von Magnetronen vom M-Valenzband (MVB = unpolarisiert, ungekoppelt, nicht überlagert, nicht im Fernfeld addierte
Magnetronen → nicht leitend) in das M-Leitungsband (MLB = Leitungsband = Permeabilitätsband = polarisiert, gekoppelt, überlagert, im Fernfeld addierte Magnetronen → leitend). Die Anhebung ins magnetische Leitungsband entsteht a) durch Absenkung der Temperatur T^Tc, oder b) Anhebung der Temperatur ins M-Leitungsbereich mit T-^Tc, d.h. das M-Leitungsband ist temperaturabhängig. Hat das Atom überschussige nach aussen wirksame magnetische
Momente, so ist es magnetisch negativ ( analog wie ein elektrisch negativ geladenes Ion) → magnetisch negatives Ion = lm ~.
Fehlende magnetische Momente (Mangel) bedeutet analog magnetisch positives Ion = lm +. Die fehlenden wirksamen Magnetonen werden
Defektmagnetonen oder Magnetonen-Löcher genannt. Sie verhalten sich im See der negativen Magnetonen wie positive magnetische Teilchen (Positron-Magneton). Gleiches gilt für die magnetische Austauschwechselwirkung durch Magnetronen und Magnetronen-Löcher als magnetische Flußquanten / Flußquanten-Löcher (Defekt-Flußquanten) 2.3.8 Magnetische Eigenleitung
Unterhalb der Curietemperatur besteht magnetische Leitfähigkeit (hohe Permeabilität) beim M-Halbleiter. Unterhalb dieser Temperatur Tc sind die Magnetisierungsträger = Flußquanten Φo = Leitungsmagnetronen1) frei beweglich, d.h. sie können sich ausbreiten, überlagern und kohärent addieren2), wenn sich die Atommagnete (spontan) parallel stellen, d.h. im Nah- und Fernfeld polarisiert und durch Austauschwechselwirkung gerichtet gekoppelt sind und dadurch ein Leitungsband bilden. 1): Im elektrischen Fall Elektronen = Ladungsträger = Leitungselektronen im Leitungsband.
2): Kohärenz: Überlagert man Wellena, b), zwischen denen eine feste Phasenbeziehung besteht, dann addieren sich deren Amplituden vorzeichengerecht (→ESR). a) Kohärente Überlagerung kohärent = (Aι+A2)2 b) Inkohärente Überlagerung inkohärent = At2+A2 =lι+l2 - Örtliche Kohärenz - Zeitliche Kohärenz: Kohärenzzeit, Kohärenzlänge
Magnetischer Kreis
Ist der Feldquerschnitt A gegeben und wird dieser rechtwinklig vom Fluß Φ durchsetzt, dann ergibt sich die magn. Flußdichte B=Φ/A. Besonders beim Durchsetzen von Luftzwischenräumen kommt es dazu, dass ein Teil der
Feldlinien außerhalb des Feldquerschnitts A verläuft. Der dadurch entstehende Streufluß Φs vermindert den Gesamtfluß ΦQ und für den Nutzfluß gilt
Figure imgf000106_0001
Streugrad bzw. Streufaktor O=ΦG/ΦN (Fig. 143). → Scherung der Magnetisierungskurve, Flußdichte / M-Stromdichte bei gegebener Durchflutung / M-Spannung.
Beachte im Folgenden: a) die technische Stromrichtung (lm) Φ = + → - Magnetronen M" fließen vom N-Pol → S-Pol Magnetronen-Löcher M+ fließen vom S-Pol → N-Pol b) Physiklisches Verhalten (lm) Φ = - → + Magnetronen M" fließen vom S-Pol → N-Pol. Magnetronen-Löcher M+fließen vom N-Pol → S-Pol
Leϊtungs-Vorgang = Transport/Ausbreitung der magn. Energie Eine am M-Halbleiter bzw. M-Leiter angelegte magn. Spannung (Θ) - und damit ein magnetisches Feld - treibt die (spontan) polarisierten negativen Magnetronen-Feldquanten M" (bei physikalischer Richtung) vom Minus-Pol (S=") zum Plus-Pol (N=+), mit funktionaler Addition von M" am Plus-Pol; bei technischer Stromrichtung umgekehrter Fluß (Fig. 144). Magnetisierung (= kohärente Addition der Atom-/Elektron-Momente) aufgrund der parallelen Atommagnete, die sich durch die Kopplungskräfte (ggf. durch Einfluß eines äußeren magn. Feldes) parallel stellen. Bei spontaner Magnetisierung sind alle Ätommagnete im Weissschen Bezirk parallel ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes. Äußeres Feld = Kopplungsfeld = Σ atomarer Momente. Magnetisch funktionale Influenz Magn. funktionale Influenz als Funktion der Flußdichte mit Bi < Ba (perfektemagh. Influenz, wie im elektrischen Fall an der Oberfläche, nur bei Meißner-Ochsenfeld-Effekt (Supraleiterströme an der Oberfläche schirmen B-Feld perfekt ab). Im Bereich des N-Poles (-+) sind die negativen Magnetronen M" - entsprechend der Feldstärke - lokalisiert (siehe Fluß S=*N im Inneren des Ferromagnetikums) und über eine Funktion additiv wirksam (siehe auch: a) neutrale Zone im PM bzw. b) bei abstoßendem Feld Zone im FM. Fluß: M"s (mit Magnetronen-S-Komponente des Moments =s) wird vom Nord-Pol NB+ angezogen (und die MN-Komponente des Momentes im Nord-Pol-Bereich abgestoßen), die Momente sind entsprechend im Feld und lokal am Pol orientiert polarisiert. "Sobald sich die magnetisch Tiegätive Energie (= Magnetronen der negativen Magnetonen) in Richtung Pluspol (N) (aufgrund der Verschiebung / Verdrehung der magn. Dipole (atomare Bezirkspolarisation) durch ein äußeres Feld) ausbreitet (die negative Magnetisierung = negative Atommomente), addieren sich in einem funktionalen Magπetisierungszusammeπhang die Momente der einzelnen Atome (d.h. die Energie der negativen Magnetronen im Nah- und Fernfeld (→ magn. funktionale Influenz) innerhalb der Bezirkspoiarisation bzw. Kristallit-Polarisation) und hinterlassen eine magnetische Energie-Lücke, ein magnetisches Loch, d.h. die Magnetisierung (= Magnetronen = Energiequanten) breitet sich von der Atombindung der Magnetonen heraus aus - sonst entsteht keine Addition der Magnetronen (der Quanten-Momente) an anderer Stelle im M-Halbleiter und auch keine magn. funktionale Influenz am N-Ende bzw. S-Ende des M-Halbleiters. Die M-Löcher tragen ebenfalls zur magn. Stronr Flußleitung bei. Ein Magnetron M" aus einer benachbarten Bindung kann ein solches Magnetron-Loch M+(Bindungslücke) energetisch durc Austauschwechselwirkung ausfüllen. An der Stelle, wo es (das Magnetron) vorher war, entsteht wieder ein Magnetron-Loch. Die magn. Energie (Magnetronen) ist im Raum zwischen den Magnetonen lokalisiert. Dieser Vorgang wiederholt sich laufend. Das M-Loch (M+SN) wandert (breitet sich durch den ganzen Körper (M-Halbleiterkristall) vom Nordpol (N=+) zum Südpol (S=") aus. Koppiungs-ZBindungskräfte Kopplungskräfte bewirken, dass sich die Atommagnete parallel stellen → Kraftwirkung durch Überlappung der Elektronenbahnen (Elektronen-Orbitale) und dem damit verbundenen Austausch der Elektronen unter benachbarten Atomen bzw Ionen. Ursache Stoffmagnetismus Diamagnetismus: abgeschlossene Elektronenschalen Paramagnetismus: unaufgefüllte Elektronenschalen Ferromagnetismus: unaufgefüllte innere Elektronenschalen Antifenomagnetismus: unaufgefüllte innere Elektronenschalen, sehr kleine Atomabstände Ferrimagnetismus: unaufgefüllte innere Elektronenschalen, Spinellstruktur Ergebnis
Für die Magnetronik werden im Raum ausbreitenden/wandernde Magnetisierungen = Magnetonen (== magnetische Energiequanten) als negative Leitungsmagnetronen (M"SN) bzw. Leitungsmagnetronen-Löcher (M+NS), analog so wie im elektrischen Fall wandernde Elektronen und Elektronen-Löcher benötigt. Die Ausbreitung der Magnetronen erfolgt in
Phasen-/Gruppengeschwindigkeit.
Magnetronen M"SN = Ausbreitung und Addition der magn. Momente = Energie-Fluß/-Strom Φ Richtung positivem Pol (N=+). Basis: Magneton mit negativem Moment μe", weil von negativer
Elementar-Ladung stammend.
Magnetron-Loch M*NS (= Defekt-Magnetron)
Im Bereich des S-Poles (=-) sind die positiven Magnetronen M+ - entsprechend der Feldstärke - lokalisiert (siehe Fluß N=*S im Inneren des Ferromagnetikums) und funktional additiv wirksam
→ magn. funktionale Influenz:
Energie-Fluß/-Strom Φ: M+ mit N=π- Komponente wird von S=- angezogen und M+ abgestoßen, die Momente SN bzw. NS sind entsprechend im Feld orientiert/polarisiert
Definitionsbasis: Magneton-Loch mit positivem Moment μβ+, weil von positiver Elemetar-Ladung bzw. fehlender Elementarladung
(Elektronen-Loch → Spinmoment-Loch) stammend. Es gibt in der Magnetronik also zwei magnetische Makro-"Teilchen"(μB~, μβ+) =
Magnetonen bzw. Magnetronen-Löcher mit ihren jeweils vorzeichenorientierten magnetischen Quanten Magnetronen M~ und Magnetronen-Löcher M*. (Symbol „m" ist schon durch die Masse besetzt.) Durch eine angelegte magn. Spannung breiten sich im Körper
(M-Halbleiterkristall) die Leitungs-Magnetronen M" vom Minus-Pol (S) zum Plus-Pol (N) und die Magnetronen-Löcher M+ vom Plus-Pol (N) zum Minus-Pol (S) aus. Freie Magnetronen und Magnetronen-Löcher können immer nur paarweise auftreten, so gilt für die Dichte der Magnetronen und Magnetronen-Löcher m=Pm
Der magnetische Gesamtstrom (= Gesamtfluß Φ) aus den Momenten läßt sich als Summe aus einem Magnetronen-Strom/-Fluß und Magnetronen-Löcher-Strom/-Fluß bilden, analog wie im elektronischen Fall beim Elektronen- zw. Elektronen-Löcher-Strom. In der Magnetronik besteht der Strom/Fluß aus Feldquanten Φ0, den magn. Energiequanten, d.h. den Magnetronen /M-Löcher im Raum zwischen den Magnetonen / M-Löchern.
2.3.7 Magnetische Störstellenleitung
Fügt man einer Schmelze eines reinen ferromagnetischen Halbleiterkristalls (= kein reines Dimagnetikum bzw. reiner M-Isolator, weil M-Halbieiter in der Leitfähigkeit bei Normaltemperatur zwischen M-Isolator und M-Leiter) einen ganz geringen ferromagnetischen Fremdstoffanteil zu (dotieren), so steigt die magnetische Feld-Leitfähigkeit μ (der Flußquanten) stark an.
Basis: z.B. a) Co, oder b) Dy. Stoffdesign bei tiefer Temperatur M-Nichtleiter. Bzw. umgekehr: Bei Jc wird die Spinkopplung aufgehoben; μ\ hat einen stark werkstoffabhängigen Verlauf → Temperaturabhängigkeit der
Permeabilität; Sättigungspolarisation Js folgt relativ zur universellen Funktion.
Nm-Leiter
Beispiel: M-Kristallbasis 7-wertiges Co mit 8-wertigem Ni dotiert = magnetisch höherwertige Fremdatome (bezüglich Co-Niveau) in magn. niedri er wertigen M-Halbleiter dotieren: Z.B. Co 3d74s2 = 9 Elektronen plus Ni Sd^s2 = 10 Elektronen → Elektronen-Differenz auf 3d-Schale = + 1 Ni-Elektron - +1 Ni-Magneton = +1 Ni-Magnetron. Definition: Magnetonen = magnetische Teilchen mit Vorzeichen der
Ladung, Magnetronen - magn. Feldquanten = Flußquanten mit gleichem Vorzeichen. Jedes Magneton/Magnetron hat 1 "Quasi-Dipol" (N - +Pof. S - -Pol) - Spinmoment. Beachte Anzahl und Differenz der im zeitlichen Mittel x parallel und y antiparallel gerichteten Elektronen mit ihren Momenten auf der 3d-Schale/Orbital (und bei der Elementarzelle (Raumgitter / Tetraeder/Ikosaeder)) Die Bohrsche Magnetonen-Differenz auf der 3d-Schale beträgt:
Co 1 ,714 - Ni 0,604 = +1,11, also etwas mehr, als die Elektronenzahl-Differenz, d.h. auch +1,1 Magnetronen.
Dotierung auch aus der Lathanoide-Ferro-Reihe Gd, Tb, Dy, Ho, Er, z.B. Dy 4f105d°6s2 plus Ho 4f115d°6s2
→ Elektronen-Differenz auf 4f-Schale - + 1 Ho-Elektron oder mit größerem Wertigkeitsunterschied: Dy 4f105dδ6s2 plus E 4f1z5d°6s2 → Elektronen-Differenz auf 4f-Schale = + 2 Er-Elektronen.
Jedes magnetisch höherwertige Störatom (Ni in Co dotiert) bringt Magnetonen (Elektronen mit deren Spinmomenten) der unaufgefüllten inneren Elektronenschalen mit, die keine magnetische Bindung mit den nächsten Atomnachbarn eingehen können, weil sie überzählig im Basis-Kristall sind. Dotteratome bringen eine M-Bindung in den -Halbleiterkristail (z.B. Co) ein, d.h. negative Magnetronen sind Bindungen.
Dieses "freie" Magneton (« negatives Spinmoment des negativen Elektrons) kann durch geringe gerichtete Energiezufuhr (H-Feld) von seinem Atom (3d-Orbital) nicht als Teilchen abgetrennt, aber in seiner Spinrichtung = Energierichtung ausgerichtet (polarisiert) werden, damit sich die Feldenergie der Magnetronen in der Bindungsrichtung ausbreitet und im Fernfeld funktional addieren kann. Die Magnetonen sind im Atom fixiert, da sie auf der inneren Schale lokalisiert sind (nicht dispositiv wie bei Valenzelektronen auf der äußeren Schale, die das Atom über das e-Leitungsband wechseln können (Teilchen-Transport)). Bei den Magnetonen besteht ein Quantentransport (= Flußquanten); d.h. das Prinzip des M-Halbleiters beruht auf dem Transport von gerichteten magnetischen Energie-Feldquanten.
In diesem Fall beruht die magnetische Leitung vorwiegend auf dem Transport der Feldenergie der negativen Magnetronen (« Quanten der negativen Spinmomente der Elektronen = Majoritätsträger), d.h. den Fiußquanten und nicht auf dem Transport der im Atom fixierten Elektronen. Der M-Halbleiter wird deshalb Nm-Feld-Ieitend. Diese "frei" ausbreitbare negative Feldenergie des Leitungs-Magnetrons bildet ein magnetisch positives Ni-Ion = M-Ni-lon+. Die Feldenergie = Magnetronen der gebundenen Magnetonen, breiten sich mit Phasen- Gruppengeschwindikeit im Festkörper aus. Nm-Feld-Leiter enthalten "freie" Magnetronen (Leitungs-Magnetronen) als Magnetisierungsträger « Quanten der negativen Spinmomente der Elektronen.
→ Magnetisierung durch Bindung und Polarisation der Magnetronen.
Pm-Leiter
Beispiel: M-Kristallbasis 7-wertiges Co mit 6-wertigem Fe dotiert: Das magnetisch 7-wertige Kobalt als M-Halbleiterkristall kann aber auch mit
6-wertigem Fremdatom dotiert werden, z.B.:
Co 3d74s2 plus Fe 3d64s2 → Elektronen-Differenz 3d = -1 Fe-Elektron = -1 Magneton = -1 Magnetron Beachte Anzahl und Differenz der im zeitlichen Mittel x parallelen und y antiparallel gerichteten Elektronen auf der 3d-Schale/Orbital.
Die Bohrsche Magnetonen-Differenz beträgt C -1,714 + Fe 2,218 = -0,504, d.h. auch -0,504 Magnetronen (Feld-Quanten).
Oder auch Dy 4f105d°6s2 plus Tb 4f95d°6s2 → Elektonen-Differenz 4f = - 1 Tb-Elektron
= -1 Magneton - -1 Magnetron oder sie werden mit größerem magn. Wertigkeitsunterschied dotiert:
Dy 4f105d°6s2 plus Gd 4f75d16s2 → Elektronen-Differenz auf
4f=-3 plus 5d=+1 = -2 Dy-Elektronen = -2 Magnetonen = -2 Magnetronen.
Für die vollständige magnetisch positive Bindung fehlt ein Magneton (Elektron mit Spinmoment). Dotieratome bringen eine M-Bindungs-Lücke in den M-Halbleitekristall (z.B. Co) ein, d.h. positive Magnetronen sind Bindungslücken. Diese "frei" ausbreitbare positive Feldenergie des Magnetons bildet ein magnetisch positives Loch. Aus dem Eisenatom wird ein magnetisch negatives Ion = M-Fe-Ion". Ein mit 6-wertigen Fremdatomen dotiertes 7-wertigen Kobalt-Kristall nennt man Pm-Feld-Leiter. Bereits durch geringe gerichtete Energie∑ufuhr (H-Feld), kann dieses lokale
M-Loch (μe+) von einem Magneton (μs") eines Nachbaratoms durch Kopplung (Austauschwechselwirkung) energetisch mit Magnetronen ausgefüllt werden. Die magnetische Feld-Leitung beruht also vonwiegend auf der Ausbreitung der positiven Feldenergie als Magnetronen-Löcher, ausgehend von den magn. positiven Magnetonen-Löchern (= positive Elektronen Spinmomente von e+, oder von fehlenden Spinmomenten von e", die sich wie positive magnetische Teilchen verhalten), man spricht deshalb von Pm-Feld-Leitung.
Pm-Feld-Leiter enthalten "frei" ausbrettbare positive Magnetronen-Löcher-Feldenergie (Bindungs/Kopplungs-Lücken) = Defektmagnetronen als Magnetisierungsträger. Ergebnis
Die durch Dotieren entstandenen Pm- und Nm-Feld-Leiter bleiben weiterhin nach außen magnetisch neutral.
Die magnetische Feld-Leitfähigkeit im dotierten M-Halbleiter nimmt nur solange zu, bis alle Fremdatome beim Nm-Feld-Leiter ihre überzählige
Magnetronen-Feldenergie durch Kopplung/Bindung energetisch abgegeben haben, bzw. im Pm-Feld-Leiter von ihrem Nachbaratom je ein Magnetron-Loch als magn. Feldenergie durch Nicht-Kopplung/Bindungslücke energetisch aufgenommen haben.
Magnetronen sind negative Bindungen, Magnetronen-Löcher sind positive Bindungs-Lücken.
2.3.8 PmNm-Ubergang Bringt man einen Pm-Feld-Leiter und einen Nm-Feld-Leiter zusammen, entsteht an der Berührungsstelle ein PmNm-Übergang (Fig. 145). Beispiel PmNm-Übergang (Fig. 145) Co = M-Halbleiter Dotierung mit Fremdatomen Ni oder Fe. Nm-Feld-Leiter: Co 7-wertig + Ni 8-wertig dotiert. Magnetronen = Magnetisierungsträger
Pm-Feld-Leiter: Co 7-wertig + Fe 6-wertig dotiert Magnetronen-Löcher = Magnetisierungsträger
An der Grenze vom Pm- zum Nm-Feld-Leiter dringen ohne angelegte magn. Spannung Θ (=Um), nur durch die Wärmebewegung, Magnetronen vom
Nm-Feld-Leiter in den Pm-Feld-Leiter ein und rekombinieren (wiedervereinigen) dort mit den Magnetronen-Löchern (Feld-Löcher). Umgekehrt diffundieren M-Löcher des Pm-Feld-Leiters in den Nm-Feld-Leiter und verbinden sich dort mit den freien Magnetronen (→magn. Oberflächenpolarisation). Beiderseits der Grenze verarmt der M-Halbleiterkristail (z.B. Co) an freien Magnetisierungsträgern:
Die Grenzschicht wirkt wie ein magn. Isolator (μr≥1) und bildet eine M-Sperrschicht (Fig. 146).
Am PmNm-Übergang von M-Halbleitem entsteht eine M-Sperrschicht (→ neutrale Zone wie bei Nordpol-Südpol-Übergang eines
Permanent-Magneten).
Fehlen jedoch in der Grenzschicht Leitungs-Magnetronen und M-Löcher, üben die Magnetisierungen der ortsgebundenen M-Ionen ihren Einfuß aus: Das Nm-Grenzgebiet ist magnetisch positiv (Ion lm + mit Basis μB +), das
Pm-Grenzgebiet magnetisch negativ aufmagnetisiert (Ion lm " mit Basis μβ").
Diese Raummagnetisierungszonen (elektr. Raumladungen Q → M) beenden die weitere magnetische Diffussion: Die magn. negative Pm-Grenzschicht zieht die diffundierenden M-Löcher und die magn. positive Nm-Grenzschicht die eingedrungenen Magnetronen zurück. Die Magnetisierungen in der ca. 1μm dicken Grenzschicht verursachen eine magn. Diffusionsspannung (Θoiff) am PmNm-Übergang. Durch Anlegen einer äußeren magn. Spannung (Θ) kann der PmNm-Übergang in Sperrrichtung oder in Durchiassrichtung für magn. Fluß Φ (Flußquanten) betrieben werden (Fig. 147).
Der PmNm-Übergang wirkt wie ein magn. Kondensator. Die Sperrschicht (μr ≥1) besitzt eine magn. Kapazität Cm (Sperrschicht-Kapazität). → Magnetischer Kondensator: Feldstärke sinkt, Kapazität steigt, dabei sind die Kraftwirkungen des Feldes zu beachten: Erfindung Feldgenerator → Optimum =
Gleichgewichtszustand mit Energielücke E=0.
2.3.9 Magnetischer Durchbruch des PmNm-Übergangs
2.3.9.1 Magnetische Analogie zum Zehner-Effekt In Sperrrichtung kann es zu einem Durchbruch kommen. Infolge großer magn.
Feldstärke im Inneren des Übergangs werden Magnetronen aus dem magn.
Valenzband des Pm-Materials waagrecht über die verbotene Zone ins magn.
Leitungsband des Nm-Materials gezogen (tunneln). Dieser Effekt tritt bei stark dotierten magn. Dioden auf und kann dort bei wenigen Ampere magnetischer Sperrspannung einsetzen. (Fig. 148).
2.3.9.2 Magnetische Lawinenmultiplikation im PmNm-Übergang
Dieser Mechanismus führt zum Durchbruch. Ein Magnetron bewegt sich bei großer magn. Feldstärke so schnell, daß es bei einem Zusammenstoß mit dem Gitter einen Teil seiner Energie abgeben und ein neues freies
"Magnetronen"-"Magnetronen-Loch"-Paar erzeugen kann. Diese Magnetisierungsträger werden in gleicher Weise beschleunigt und können ihrerseits neue frei Paare schaffen, so daß der Magnetstrom/-fluß lawinenartig anwächst (Fig. 149). 4. M-Feld-Haihleiterbaulefemente (Magnetic Semiconductor Elements)
4.1. M-Typen Ein PmNm-Übergang führt zu M-Dioden, zwei PmNm-Übergänge führen zu
M-Transistoren, drei und mehr Übergänge zu M-Thyristoren.
Funktionen von M-Halbleiter-Bauelementen (→ Feldmodulatoren) M-Diode: Eine M-Halbleiterdiode leitet, wenn man sie in Durchlassrichtung polt, und sie sperrt den magnetischen Strom/Fluß, wenn sie entgegengesetzt gepolt ist.
M-Transistor: M-Transistoren sind versin ende aktive oder schaltbare M-Halbleiterbauelemente, man kann sie in bipolare M-BT und unipolare M-Transistoren M-FET einteilen.
M-Thyristor: M-Thyristoren (Oberbegriff) sind magnetisch schaltbare Bauelemente, mit vier aufeinander folgenden M-Halbleiterzonen wechselnder M-Leitungsart: PmNmPmNm Der M-Thyristor wirkt wie eine M-Diode, sobald M-Gatestrom fließt.
Durch magnetische Signale getriggert wirken sie wie Kippschalter (Sperr-/Durchlass-Zustand).
4.2 M-Dioden M-Ha!bleiterbauelement mit einem PmNm-Übergang. Das spezifische
Verhalten wird durch den jeweiligen Verlauf der Dotierungskonzentration im Kristall bestimmt (Fig. 150).
M-Gleichrichterdiode Sie wirkt wie ein Magnetstromventil und ist deshalb das geeignete Bauelement zur Gleichrichtung von magnetischen Wechselströmen. Der Magnetstrom/-fluß in Sperrichtung (M-Sperrstrom/-fluß) kann etwa 107 mal kleiner sein als sein M-Duτchlassstrom/-fluß. Er wächst mit steigender Temperatur stark an. M-Gleichrichter für hohe M-Spannungen
Hohe magnetische Sperrspannung erfordert, dass mindestens eine M-Zone niedrige magnetische Leitfähigkeit hat (hoher magnetischer Widerstand in Durchlassrichtuπg und damit zu starke Erwärmung). Durch Einschalten einer sehr schwach dotierten Zone (lm) zwischen hoch dotierten Pm- und Nm-Zonen entsteht ein PmlmNm-Gleichrichter, der hohe magnetische Sperrspannung, aber niedrigen magnetischen Durchlasswiderstand hat: → magnetische Leitfähigkeitsmodulation.
M-Schaltdiode Vorzugsweise für rasches Umschalten von niedriger magnetischer Impedanz
(magn. Scheinwiderstand = Vektorsumme der M-Einzelwiderstände) und umgekehrt. Die Schaltzeit wird durch zusätzliche Diffussion von Stoffen, die die Rekombination von Magnetronen und M-Löchern begünstigen, verkürzt. M-Z-Diode
Magnetische Halbleiterdiode, bei der im Fall wachsender magnetischer Spannung in Rückwärtsrichtung von einer bestimmten magnetischen Spannung ab ein steiler Anstieg des magnetischen Stroms/Flusses infolge magnetischen Lawinendurchbruchs eintritt. M-Z-Dioden werden für Dauerbetrieb in diesem Bereich konstruiert.
M-Kapazitätsdiode
Die magnetische Raumladungszone am PmNm-Übergang wirkt wie ein magnetischer Kondensator. Ein Dimagnetikum ist das von
Magnetisierungsträgern "entblößte" magnetische Halbleitermaterial. Erhöhung der angelegten magn. Spannung verbreitert die M-Sperrschicht und verkleinert die M-Kapazität; magnetische Spannungserniedrigung vergrößert die magnetische M-Kapazität.
M-Absorptionsdiode
M-Halbleiterdiode, bei der der M-Sperrschichtabsorptionseffekt ausgenutzt wird. Am PmNm-Übergang liegt magnetischer Sperrspannung. Einfallender magnetischer Fluß löst Magnetronen aus den M-Bindungen. Es entstehen dadurch zusätzlich freie Magnetronen und Magnetronen-Löcher. Sie erhöhen den magnetischen Sperrstrom/Fluß proportional zum Einfall des magnetischen Flußes.
Zu M-Dioden (Fig. 150) 1) Intensität Magnetische Feld-Energie, die je Zeiteinheit eine Fläche dA senkrecht durchsetzt, also Quotient aus Leistung P und Fläche. Intensität l= P/A Magnetische Feldenergie im Volumen V Wm=1/2 (H -B)V, Leistung P=dWrfl/dt Magnetische Feldenergiedichte wm=Wm/V
2) M-Emission In der Nähe des Übergangs rekombinieren die Magnetronen mit den M-Löchern und geben dabei Energie von der Größenordnung Eg ab. Bei den M-„Strahleή" der Rekombination wird diese Energie in Form von Flußquanten der Energie hf*Eg ausgesandt. Dies bedeutet, daß eine MED näherungsweise ein monochromatisches M-Feld aussendet, dessen Wellenlänge λg von der Breite der verbotenen Zone Eg abhängt. Die Emission erfolgt mit der Intensität I.
3) ESP: Elektronenspinresonanz
4.3 M-Transistoren 4.3.1 Funktionsprinzip M-Transistoren sind verstärkende (aktive) magnetische Halbleiterbauelemente.
Sie werden unterteilt in a) bipolare (Magnetonen + Magnetronen und Magnetonen-Löcher + Magnetronen-Löcher) und b) unipolare (Magnetonen + Magnetronen oder Magnetonen-Löcher + Magnetronen-Löcher) Magnetfeld-Transistoren . M-Transistor-Arten (Fig. 151), Aufbau und Eigenschaften von M-Transistoren (Fig. 152)
Der M-IGTB ist eine Kombination aus einem bipolaren und unipolaren M-Transistor.
M-Verstärkung (Stom, Spannung, Leistung) / M-Schaltung (des Transistors (Transistoreffekt = Kopplungs-/Bindungseffekt) und Transistor-FM (FM = Transistoreffekt zwischen zwei PM's) Zwei eng benachbarte magnetische PmNm-Übergänge führen zum magnetischen Transistoreffekt und zu M-Bauelementen(M-Feldmodulatoren), die magnetische Signale verstärken oder als magnetische Schalter wirken. Es gibt bipolare M-BT und unipolare M-FET Transistoren, die in ihrem
Funktioπsprinzip auch als M-Feldmodulator in der FK eingesetzt werden können.
Verstärkung / Schaltung magnetischer Ströme/Flüsse (Φ) und Spannung (Θ) mit magnetisch dotierten Grenzschichten (FM-Basis) (PmNm-, PmNmPm-, NmPmNm-
FM-Übergänge). Gesperrter Pm m-Übergang (Basis-Kollektor (Nm)) durch
Injektion von magnetischen Flußträgern Φ (Magnetronen = Kopplung durch magn. Spinmomente dotieren) magnetisch leitfähig machen (Leitfähigkeit -
Permeabilität μ-μo μr; magn. Widerstand Rm-1/μ.) → Diffussion von magnetischen Fluß-/Stomquanten Φ0
(Kopplungen/Bindungen) durch die Sperrschicht.
Modulationsvariante 1 (auch für FM): → Leitfähigkeitsmodulation
In einem P NmPm -Transistor sind es magnetische Magnetronen-Löcher (Φo-Mangel, Kopplungs-Löcher), die vom magnetischen Emitter (Pm) in die dünne FM-Basisschicht gelangen, von hier durch magnetische Diffusion in das Gebiet des gesperrten PmNm-Übergangs kommen und dort durch das magnetische Feld zum magnetischen Kollektor (Nm) angzσgen werden. M-Sperrschicht ist die magnetische Basis für den a) Übergang zwischen parallelen Spins, FKG-Symbol H=») = Steuerung der Anziehung, oder b) Übergang zwischen antiparallelen Spins, FKG-Symbol: H<=) = Steuerung der Abstoßung.
Magnetfeld im PM
Magnetischer Strom/Fluß Φ ist zeitlich konstant (deshalb auch hier Gruhdzustand mit E=0) und beträgt ein ganzzahliges Vielfaches vom magnetischen Fluß-/Stromquant Φrj.
M-Transistor als Verstärker
Ein kleiner magn. Basisstrom/-fluß ΦB verursacht beim M-Transistor einen großen magn. Kollektorstrom/-fluß Φc. Dies nennt man Magnetstrom/-fluß-Verstärkung (Vφ). Ein M-Transistor kann auch als magnetischer Spannungsverstärker (VΘ) und Leistungsverstärker (Vp)betrieben werden.
M-Transistor als Schalter → M-Feldmodulator M-Transistoren als Schalter haben zwei Schaltzustände: Sie arbeiten in der magn. Sättigung (magn. leitend Arbeitspunkt A3 = "Ein" (Bs-Bo t bei H32 und μmax) oder sind gesperrt (magn. nichtleitend = magnetisch transparent (μr=1) Punkt Ai = "Aus" (B5 = Bmax bei Ha5= Hamax), (beachte Sättigungsbereich = Übersteuerung Bereich Bo bei Hao bis B3 bei Ha3, Beginn Ü-Bereich = Sättigungsanfang bei Punkt A2 auf der Arbeitsgeraden.
Ferromagnetischer Stoff im magn. Feld. M-Schalter S → magn. Schaltzustände = FM-Kippstufe (Fig. 81).
Figure imgf000116_0001
Magnetfeld-Spemchfung gepolt. Im magnetischen NmPmN -Transistor steuern positive Magnetronen-Löcher
(Kopplungsträger-Lücken) des M-Basisstromes/flusses die x-fache Menge von negativen Magnetronen (Kopplungsträgern), die vom M-Emitter zum M-Kollektor fießen (Fig. 153). Wirkungsweise erklärt für NmPmNm-Transistor
Der M-Emitter-Basis-Übergang (M-EB) wird in magnetischer Durchlassrichtung gepolt. Dadurch werden Magnetronen in die Basiszone injiziert (Fig. 154). Der M-Basis-Kollektor-Übergang (M-BC) wird in Sperrichtung gepolt.
Dadurch bildet sich eine magnetische Raumladungszone mit starkem magnetischem Feld aus. Eine merkliche magnetische Kopplung/Bindung (= M-Transistoreffekt) tritt ein, wenn die beiden PmNm-Übergänge sehr nahe beieinander liegen (im Kobalt « 10 μ ).
Dann diffundieren die bei M-EB injizierten Magnetronen durch die M-Basis zum M-Kollektor. Sobald sie in die Reichweite des magnetischen Feldes von M-BC kommen, werden sie ins M-Kollektorfeld hinein beschleunigt und fließen als M-Kollektorstrom weiter. Das Konzentrationsgefälle in der M-Basis bleibt also bestehen und damit auch die Ursache für weitere
Magnetronenwanderungen vom M-Emitter zum M-Kollektor. Es wandern 99% und mehr aller vom M-Emitter ausgehenden Magnetronen in die magnetische Raumladungszone und werden zum M-KolIektorstrom/-fluß. Die wenigen fehlenden Magnetronen sind beim Durchwandern der M-P-dotierten M-Basis in die dort befindlichen Magnetronenlücken geraten. Sofern nichts anderes geschieht, magnetisieren sie die M-Basis negativ auf, und durch Abstoßungskräfte würde binnen kürzester Zeit (ca. 50 ns) das Nachfließen weiterer Magnetronen überhaupt verhindert. Ein kleiner M-Basisstrom/-fluß aus positiven Magnetträgern (Magnetronen-Löcher) kompensiert beim M-Transistor diese negative Magnetisierung ganz oder teilweise.
Kleine Änderungen im magnetischen Basisstrom/-fluß bewirken somit große Änderungen im magnetischen Emitter-Kollektor-Strom/-fluß. Der NmPmNm -Transistor ist ein bipolares magnetsfrom-/flußgesteuertes, verstärkendes magnetisches Halbleiterbauelement.
Im bipolaren M-Transistor steuert der magn. Basisstrom luß B den Kollektorstrom/-fluß Φc. Für die Steuerung ist nur eine geringe magnetische Leistung nötig.
Ein M-Transistor wir als magn. Verstärker oder als magn. Schalter benutzt.
Kristall-Isotropie / Anisotropie Es ist die Isotropie oder Anisotropie des Kristalls zu beachten - insbesondere in der Basis, wenn die Flußquanten tangential abfließen sollen (z.B. bei Co ist eine gute Leitfähigkeit in der hexagonalen Achse, eine schlechte senkrecht dazu vorhanden). Die Basis kann beim M-BT deshalb isotrop sein mit Würfeltextur (x-, y-, z,-Achse = < Q0>- gleiche Permeabilität); in der Pm- bzw. Nm-Schicht Co-dotiert.
Zu beachten ist wegen der magnetischen Vorzugsrichtung/Leitfähigkeit: a) Kristall-Anisotropie b) Magnfeld induzierte Anisotropie c) Spannungsinduzierte Anisotropie d) Magn. Formanisotropie der Basis
Es ist auch anisotrope elektrische Leitfähigkeit → Entelektrisierung zu beachten.
Dotierungsstärke
Die Emitterzone ist bei bipolaren M-Transistor magnetisch stark dotiert, die Kollektorzone etwas weniger. Die außerordentlich dünne Basisschicht (wenige μm dick) enthält nur eine geringe Zahl M-Fremdatome.
Vorzugsrichtung M-Strom/Fluß im M-BT
Bei Anwendung des Doppeldiffusionsverfahrens ist die Dotierung im Emitter am höchsten und im Kollektor am niedrigsten. Diese Verhältnisse bewirken auch die Vorzugsrichtung für den Funktionsmechanismus (normale
Betriebsrichtung). In umgekehrter Richtung (Inversbetrieb) sind die magnetischen Eigenschaften deutlich schlechter.
Je nach Anwendung werden bipolare M-Transistoren eingeteilt: - M-Verstärkertransistoren - M-Schalttransistoren Betriebszustände
Entsprechend der magn. Polarität der beiden magn. Diodenspannungen ΘBE und ΘBC unterscheidet man vier Betriebszustände des M-Bipolar-Transistors. Tabelle Betriebszustände des M-NPN-Transistors ΘBE ΘBC Betriebszustand Anwendung >0 -<0 aktiv normal M-Verstärker 0 ^0 aktiv invers <0 <Q gesperrt Schalter ("Aus") 0 ^0 übersteuert Schalter ("Ein")
Im Inversbetrieb (ΘBE 0, ΘBC^O) wird der M-Transistor entgegen der Vorzugsrichtung seines optimierten Aufbaus betrieben. Die entstehenden magn. Stron Flußverstärkungsfaktoren sind dann erheblich schlechter. Der Bereich der Obersteuerung wird auch als Sättigungsbereich bezeichnet. Der
Magn. Ausgangsstrom/-fuß kann nicht mehr durch den magn. EingangsstromAfluß gesteuert werden. Beim PmNmPm -Transistor sind alle magn. Spannungs- und StroπWFlußrichtungen umzukehren. → Beachte B-Ha- und B-μrKenniinie für magnetische Verstärkungsfaktoren (Flußverstärkung) (Fig. 80, 81).
B [TJ = AusgangsstromVAusgangsflußdichte B=μ0 (Ha+M)
Ha [A/cm] = Eingangs-Feldstärkeamplitude, äußeres Spulenfeld M (A/cm] = Magnetisierung M=B/μo -Ha (Erregung / Auf magnetisierung, beachte -Ha) μr, μa = Permeabilitätszahl, Permeabilitätsamplitude
4.3 M-Feldeffekt-Transistor (M-FET) 4.3.1 Übersicht Funktionsprinzip
Bei diesem Typ wird der Magnetstrom/-fluß in einem magnetisch leitenden Kanal im Wesentlichen durch ein magnetisches Feld quer zum Kanal gesteuert, das durch eine über eine magnetische Steuermagnetrode angelegte magnetische Spannung entsteht. Im Gegensatz zum bibolaren M-Transistor arbeiten M-Feldeffekt-Transistoren nur mit Magnetträgern einer Sorte (Magnetronen oder Magnetronen Löcher), daher auch die Bezeichnung M-Unipolartransistoren. Sie unterscheiden sich in a) M-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (M-SFET) b) M-Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren (M-IFET)
Wirkungsweise Sperrschicht M-Feldeffekt-Transistor (M-SFET) (Erklärt für Nm-Kanal-Typ) (NmMOS: Fig. 155)
An den Enden eines Nm -leitenden Kristalls liegt M-Gleichspannung. Magnetronen fließen von M-Source zu M-Drain. Die Breite des Kanals wird mit zwei seitlich eindiffundierten Pm -Zonen und der an diesen anliegenden negativen M-Spannung bestimmt. Erhöht man die negative M-Gate-Spannung, dehnen sich die M-Raummagnetisierungszonen stärker in den Kanal hinein aus und schnüren die Magnetstrom(fluß)bahnen ein. Die magnetische Spannung an der Steuermagnetrode G steuert somit den Magnetstrom/-fluß zwischen M-Source S und M-Drain D. Für die Funktion des M-SFET sind nur Magnetträger einer Polarität notwendig (Magnetronen oder Magnetronen-Löcher). Die Steuerung des Magnetstromes/'flußes erfolgt nahezu leistungslos. Der Sperrschicht M-SFET ist also ein unipolares magnetspaππi/ngsgesteuertes Bauelement. Wirkungsweise eines Isolierschicht M-Feldeffekt-Transistors (M-IFET)
(Erklärung für Pm-Kanal-Anreicherungs-Typ) (PmMOS: Fig. 156) M-IFET = PmMOS -Transistor: Schichtenanordnung: Magnetic Metal-Magnetic Oxide-Semiconductor. Bern: Beim elektronischen MOS: Oxidschichten isolieren elektrisch
(O mit εr = 1 = unelektrisch); beim M-MOS sind es magnetische Oxidschichten aus magnetischen Isolatoren (O mit μr = 1 = unmagnetisch).
Ohne magnetische Spannung an der Gate-Magπetroden fließt zwischen M-Source und M-Drain kein magnetischer Strom/Fluß: die M-PmNm-Übergänge sperren. Durch eine magnetisch negative Spannung am M-Gate werden im Nm-Gebiet unter dieser Magnetrode die Magnetronen in das Kristallinnere verdrängt und Magnetronen Löcher - die ja als Minoritätsmagnetisierungsträger auch im Nm-Kobalt immer vorhanden sind - an die Oberfläche gezogen. Es entsteht immer eine schmale Pm-Ieitende Schicht unter der Oberfläche; ein Pm-Kanai.
Zwischen den beiden Gebieten (M-Source und M-Drain) kann jetzt magnetischer Strom/Fluß Φ fließen. Er besteht nur aus Magnetronen Löchern. Da die magnetische Gate-Spannung über eine magnetisch isolierende Oxidschicht wirkt, fließt kein magnetischer Strom/Fluß im Steuerkreis: Die
Steuerung erfolgt nahezu leistungslos.
Der M-IFET-Transϊstor ist ein unipolares, magnetspanm/no/sgesteuertes Bauelement.
Ergebnis
Im M-Feldeffekt-Transistor steuert ein magnetisches Feld quer zum
Kanal den magnetischen Widerstand der Source-Drain-Strecke. in M-Feldeffekt-Transistoren steuert die magnetische
Gate-Source-Spannung praktisch leistungslos den magnetischen Drainstrom/-fluß.
Bei der magnetischen Gate-Source-Spannung null fließt in einem selbstleitenden M-Feldeffekt-Transistor schon ein magnetischer
Drainstrom/-fluß, während bei einem selbstsperrenden M-FET der magnetische Drainstrom/-fluß null ist.
IG: magnetic Isolated Gate - isoliertes Tor, M-Isolierschicht-FET. Die magn. Gate-Isolierung erreicht einen extrem hohen magnetischen
Eingangswiderstand, der unabhängig von der Höhe und Polarität der magnetischen Gatespannung ist.
Ist bei M-IG-FET ohne M-Gate-Source-Spannung ein magnetisch leitfähiger
Kanal vorhanden, spricht man von magnetisch selbstleitenden M-FET. Selbstsperrende M-FET besitzen ohne magnetische Gate-Spannung noch keinen magnetisch leitfähigen Kanal. Dieser entsteht erst durch eine geeignet gepolte magnetische Gate-Source-Spannung. Anreicherungs-M-IG-FET sind selbstsperrend. 5 Verarmungs-M-IG-FET sind selbstleitend. Es gibt noch, PmMOS, NmMOS -Transistoren, (CmMOS: Fig. 157) und DmMOS mit BCD-Mischprozess (Bipolar/CmMOS/DmMOS).0 Aufbau von M-Isolierschicht-FET (Fig. 158, 159, 160, 161 ) 1. Pm-Kanal (Fig. 158, 159) Der Pm selbstleitend, bzw. Nm selbstsperrend kann auch mit: a) Source-Source = N-N-Polung oder b) Drain-Drain = S-S-Polung betrieben werden.5 Folge: Abstoßung und nicht Fluß im Kanal bei Schaltung auf "leitend" → Gleichgewicht, wenn keine Abstoßung besteht = Kanal nicht leitend Gate mit anderer Polung notwendig: - ΘG = S-Pol (-) bei N-N-Polung +ΘG = N-Pol (+) bei S-S-Polung, d.h. der gleichnamigen Polung der Source-0 oder Drain-Strecke 2. Nm-Kanal (Fig. 160, 161) Der Nm selbstsperrend, bzw. Pm selbstleitend kann auch mit: a) Source-Source = N-N-Polung oder5 b) Drain-Drain - S-S-Polung betrieben werden. Folger Abstoßung und nicht Fluß im Kanal bei Schaltung auf "leitend" → Gleichgewicht, wenn keine Abstoßung besteht = Kanal nicht leitend Gate mit anderer Polung notwendig:0 +ΘG = S-Pol (-) bei N-N-Polung -ΘG = N-Pol (+) bei S-S-Polung, d.h. bei der gleichnamigen Polung der Source- oder Drain-Strecke
4.3.2.3 M-Feldeffekt-Transistoren ohne M-Unijunktion-TransistorenS 4.4 Leistungsmagnetronik Die Leistungsmagnetronik befasst sich mit MagnetstromZ-flußversorgungen, M-Antriebssteueruπgen und der M-Haustechnik. M-Halbleiterbauelemente sind: M-Diode, M-Thyristor, M-GTO-Thyristor, M-Triac, M-IGTB. 4.4.1 M-Thyristor Drei aufeinanderfolgende PmNm -Übergänge führen zum magnetischen Thyristoreffekt und zu magnetischen Bauelementen.5 M-Thyristoren sind demnach magnetisch schaltbare Bauelemente mit z.B. einer Co- oder Dy-Scheibe, die vier aufeinander folgende M-Halbleiterzonen enthält, wobei sich Pm- und Nm-Zonen abwechseln: PmN PmNm (Fig. 163). Die M-Anode ist mit dem Metallgehäuse magnetisch leitend verbunden. Im Betrieb kann also magn. Spannung am M-Thyristorgehäuse anliegen. M-Thyristoren - durch magnetische Signale getriggert- wirken wie M-Kippschalte . Die Benennnung "magnetischer Thyristor" wird als Oberbegriff für alle Arten von magnetischen Bauelementen benutzt, die von einem Sperrzustand in einen Durchlasszustand (oder umgekehrt) umgeschaltet werden können.
M-Thyristoren lassen sich in Pm-Gate-Thyristoren und Nm-Gate-Thyristoren einteilen. Beim Pm-Gate-Thyristor ist die äußere Pm-Schicht die M-Anode, die äußere Nm-Schicht die M-Katode und die innere Pm-Schicht das Gate.
Funktionsweise
Der Gatestrom/-fluß ΦG überflutet den inneren Pm-Feld-Leiter (Fig. 164 a) so stark, dass die in der Mitte liegende M-Sperrschicht abgebaut wird. Die verbleibenden PmNm-Übergänge sind je nach Richtung der magn. Anschlussspannung zwischen M-Anode und M-Katode entweder beide in
Durchlassrichtung oder in Sperrichtung geschaltet und wirken dann wie der PmNm-Übergang einer M-Halbleiterdiode (Fig. 164 b). Der M-Thyristor wirkt wie eine M-Diode, sobald magn. Gatestrom/-fluß fließt. Die magn. Durchlassspannung ΘF und die zum Zünden erforderliche magn. Gatespannung ΘGK liegen im gleichem Bereich (Fig. 164 c).
Beim M-Thyristor sind im Inneren drei M-Sperrschichten wirksam. Liegt zwischen M-Anode und M-Katode eine magn. Spannung, so ist mindestens eine dieser M-Schichten in Sperrrichtung gepolt. Die Richtung der magn. Spannung, bei der im M-Thyristor nur ein PmNm -Übergang in Sperrrichtung gepolt ist, nennt man Vorwärtsrichtung. Die Richtung, bei der zwei M-Sperrschichten in Sperrrichtung geschaltet sind, heißt Rückwärtsrichtung.
Verwendung M-Thyristoren kann man als M-Gleichrichter oder als kontaktlose
M-Schalter verwenden (z.B. als M-Feldmodulator).
4.4.2 M-GTO-Thyristor
Übliche M-Thyristoren können durch den M-Gatestrom/-fluß nicht gelöscht werden. Das Löschen ist jedoch bei M-GTO-Thyristoren (abschaltbare
M-Thyristoren: gate-turn-off) über das Gate möglich. Zum Zünden und zum Löschen wird der M-GTO-Thyristor mit M-Impulsen wechselnder magnetischer Polarität angesteuert. 4.4.3 M-Thyristordioden
M-Thyristoren ohne M-Steueranschluß nennt man nach der Zahl ihrer M-Schichten M-Dreischichtdiode, M-Vierschichtdiode, M-Fünfschichtdiode.
M-Dreischichtdiode (M-Diac) (M-Diac: Diode und alternating current = M-Wechselstrom)
Die M-Dreischichtdiode enthält ein z.B. Kobaltplättchen (oder Dy) mit den Schichten M-PNP (Fig. 165). Beim Überschreiten der M-Schaltspannung wird der M-Diac unabhängig von der Polarität magn. leitend. Beim Unterschreiten der M-Haltespannung sperrt der M-Diac. M-Vierschichtdiod@
Die M-Vierschichtdiode hat die M-Schichtenfoige Pm mPmN . Magn. leitend wird sie durch eine M-Schaltspannung, die ähnlich wie bei einem M-Thyristor die M-Vierschichtdiode zündet.
Man verwendet die M-Vierschichtdioden z.B. in M-Kippgeneratoren, als M-Impulsformer oder als magnetische Schalter (→ Feldmodulator).
M-Fünfschichtdiode Bei der M-Fünfschichtdiode ist die M-Schichtenfolge PmNmPmNmPm-
Unabhängig von der Richtung der angelegten M-Spannung schaltet die M-Fünfschichtdiode bei Erreichen der M-Zündspannung in den magn. leitenden Zustand. Ergebnis
M-Thyristordioden werden z.B. zur Erzeugung von M-Spannungsimpulsen und damit zum Zünden von M-Thyristoren und M-Triacs verwendet. Zu diesem Zweck schaltet man sie vor das Gate des betreffenden M-Bauelements. 4.4.4 M-Triac
(M-Triac: Triode und alternating current = M-Wechselstrom/-fluß) Zum Steuern von M-Wechselstrom/-fluß kann man rückwärts sperrende M-Thyristordioden in Gegenparallelschaltung verwenden, z.B. einen Pm-Gate-Thyristor und einen Nm-Gate-Thyristor (Fig. 166 a)
Rückt man den Aufbau beider M-Thyristoren zusammen (Fig. 166 a), so erhält man ein M-Halbleiterbauelement, welches das Verhalten der Gegenparallelschaltung hat, aber nur eine Steuermagnetrode (Fig. 166 b und 166 c) benötigt.
Ein beliebig gepolter M-lmpuls zwischen Steuermagnetrode und benachbarter Magnetrode schaltet einen der beiden M-Thyristoren unabhängig von der Richtung der M-Spannung im M-Laststrom/-flußkreis in den magn. leitenden Zustand. Die beiden Richtungen schaltbarer (bidirektionale) M-Thyristortriode nennt man M-Triac. ,
Verwendung
Der M-Triac wird für hohe magn. Spannungen und M-Ströme/Flüsse verwendet. Er lässt sich als Stellglied für M-Wechselstromverbraucher (z.B. in M-Dimmern) und als magnetronisches Schütz verwenden.
4.4.5 M-IGBT (Magnetic Insulatded Gate Bipolar Transistor)
M-IGTB's sind magnetronische Halbleiterbauelemente, die in der Leistungsmagnetronik als magnetronische Schalter verwendet werden. Der M-IGTB vereinigt die wesentlichen Vorteile des M-FET (leistungslose
Ansteuerung) und des bipolaren M-Transistors (gutes Durchlassverhalten für magn. Ströme/Flüsse).
Der M-IGBT ist also ein ideales Bauelement für den Feldmodulator der FKM (hoher Wirkungsgrad, starke magn. Ströme/Flüsse schalten). Aufbau der M-Halbleiterstruktur Der Aufbau des M-IGBT ist ähnlich dem eines Leistungs-M-ET, (z.B. M-MOSFET). Er unterscheidet sich durch ein unter dem Nm-Substrat liegendes Pm-Material, das den Kollektoranschluss V des M-IGBT bildet (Fig. 167).
Beim M-IGBT steuert ein M-Feldeffekttransistor einen bipolaren M-Transistor an. (Fig. 168). Wie beim M-MOSFET besteht ein M-IGBT aus vielen parallel geschalteten Elementen mit einem gemeinsamen Kollektor. Der M-IGBT hat drei M-Anschlüsse. Die M-Steuerung des M-Bauelements erfolgt über die Gate-Emitter-Strecke G-E. Der M-Laststrom/-fluß Φc fließt über die Kollektor-Emitter-Strecke C-E.
Schaltverhalten des M-IGBT Die Ansteuerung erfolgt durch Anlegen einer positiven magn. Spannung
(ΘGE) an das Gate. Die Kollektor-Emitter-Strecke schaltet erst bei Überschreiten der magn. Gate-Emitter-Schleusenspannung durch. Im magn. leitenden Zustand der C-E-Strecke befindet sich der M-IGBT im Bereich der magn. Sättigung, d.h., die magn. Kollektor-Emitter-Spannung sinkt auf die magn. Sättigungsspannung Θcεsat-
Ergebnis und Eigenschaften des M-IGBT
• M-IGBT haben wie bipolare M-Transistoren einen kleinen magn. Durchlasswiderstand. « Die magn. Durchlassverfuste gegenüber vergleichbaren FETs sind deshalb gering.
• Die Ansteuerung des M-IGBT erfolgt wie beim M-FET fast leistungslos.
• Der M-IGBT ist in Rückwärtsrichtung nur begrenzt sperrfähig, so dass bei Bedarf M-Freilaufdiodenbeschaltung mit kurzen Abschaltzeiten (z.B. M-FRED-Dioden (Fast Recovery Epitaxial Diode = Freilaufdiode) aufgebaut sind.
Einsatz des M-IGBT
M-IGBTs werden im magn. Hochleistungsbereich für hohe magn. Sperrspannungen eingesetzt und können hohe magn. Durchlassströme schalten.
Sie können mit Schaltfrequenzen bis zu 300 kHz in magn. Schaltnetzteile und in unterbrechungsfreien MagnetstromA-flußversorgungen (z.B. M-Feldmodulator in Solid-State FKM), betrieben werden. M-IGBTs können als diskrete M-Einzelbauelemente, als M-Module (Baugruppe) sowie als M-Arrays (Anordnungen) hergestellt werden.
4.5. Ergebnis /Ausblick
4.5.1 E-Halbleiter-Bauelemente (E-Dioden, E-Transistoren, E-Thyristoren)
Die Magnetronik ist sinngemäß und phänomenologisch auch auf Ferroelektrizität übertragbar; hier basieren die Kopplungsträger nicht auf Spinmomenten, sondern auf Oberflächenladungen der Kristalle, die die elektrisch spontane Polarisation in den Domänen bewirken.
Auch diese ferroelektrischen Bauelemente können als E-Feldmodulator ausgebildet werden. Entscheidend ist: Es fließen keine Elektronen, sondern D-Flußquanten Φo (Basis Oberflächenladungen der Kristalle mit Fluß Φ), d.h. statt der magnetischen Flußdichte B mit magn. Feldstärke H besteht die elektrische Verschiebungsdichte D mit elektrischer Feldstärke E.
4.5.2 Supra-Halbieiter Der Supraleiter hingegen ist ein elektrisches System und benutzt
"Cooper-Paare" als "gebundene" Leitungselektronen. Die hierzu passenden "Cooper-Loch-Paare" entstehen durch fehlende "Cooper-Paare" in einem Supra-Ηalbleiter". Ein Supra-'Ηalbleiter" ist aus einem Nichtleiter-Kristall mit dotierten Supraleiterstoff-Fremdatomen (Cooper-Paar → SNm-leitend oder Defekt-Cooper-Paar → SPm-leitend) aufgebaut und kann so als Supraleiter Semiconductor Bauelement eingesetzt werden (SM-BT und SM-FET), auch um als SM-Feldmodulator ausgebildet zu werden. Das Atom muß ein antiparalleles Elektronen-Paar zuviel = Elektronen-Paar
(SNm) oder zu wenig haben = Elektronen-Loch-Paar (SPm). Daraus entstehen die "gebundenen" Leitungselektronen-Paare oder Löcher-Paare im M-Supra-Halbleiter. Es sind auch elektrische E-Supraleiter und elektrische Supra-Halbleiter
(SE-Typ) herstellbar, die mit einem D-Feld statt M-Feld arbeiten (→ Supramagnetische Ströme/flüsse).
4.6. Weitere Anwendung Magnetronik Die magnetischen und elektrischen Feld-M/E-Halbleiter können auch als
Semiconductor Bauelemente in magnetischen oder elektrischen Feld-Schaltkreisen, z.B. Computer-Chips und in Nano-Struktur (wegen fehlender Erhitzung durch Elektronentransport in den Leiterbahnen), mit Feld-Strömen/Flüsse und Signalausbreitung in Phasen-/Gruppengeschindigkeit statt Elektronen-Strömen (Triften der e" in den Leiterbahnen), hergestellt und genutzt werden.
Auch Supra-Feld-Halbleiter können als Bauelemente in magnetischen oder elektrischen Feld-Schaltkreisen genutzt werden. 5. M-/E- Feld-Halbleitermodulatoren
5.1. M-BT Inline-Feldmodulator
5.1.1 M-BT = magnetischer Bipolar Transistor
• Leitfähigkeitssteuerung. • Magnetsfro/n/-f/-vßgesteuertes, verstärkendes oder schaltendes Bauelement
• Bipolar = zwei verschiedene Magnetisierungträger: Magnetronen Nm und M-Löcher Pm. 3 Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit μoμr- Zonen: Emitter E Dotierung hoch → μoμr max. = hohe Zahl FA Basis B Dotierung wenig → μoμr geringe = Zahl FA Kollektor C Dotierung niedrig → μ0μr min. = niedrige Zahl FA
• Die Verhältnisse der magn. Leitfähigkeit im E bzw. C bewirken auch die Vorzugsrichtung für den Funktionsmechanismus (normale Betriebsrichtung). In umgekehrter Betriebsrichtung (Inversbetrieb) sind die magn. Eigenschaften deutlich schlechter. • M-Transistoreffekt = Kopplung, wenn EB- und BC-Übergänge sehr nahe beieinander liegen.
• Polung der Übergänge: EB-Zone - Durchlassrichtung → Injizierung von Magnetisierungsträgern in die Basiszone BC-Zone = Sperrichtung → Raummagnetisierungszone mit starkem magn. Feld.
• Beachte die Anpassung von E, B, C an den Arbeitspunkt in B-Ha-Kennlinie 5.1.2 M-BT Inline-FM-Konstruktion (Fig. 169)
5.2. M-FET Inline-Feldmodulator
5.2.1 M-FET = magnetischer Feldeffekt Transistor
• Kanalquerschnittsteuerung. • Unipolar = 1 Magnetisierungsträgerart = 1 Zone bestimmter Leitfähigkeit μoμr, Nm (Magnetronen) oderPm (M-Löcher), z.B. dotierter Co-Einkristall.
• Magnetspannungsgesteuertes, verstärkendes oder schaltendes Bauelement. Im M-FET steuert ein magn. Feld quer zum Kanal den magn. Widerstand der Source-Drain-Strecke. • Die magn. Gate-Source-Spannung steuert praktisch leistungslos den Drainstrom/-fluß.
5.2.2 M-Sperrschicht-FET
• Gate G = Steuermagnetrode: Steuerung des magn. Stromes/Flusses durch eine magn. Spannung (beachte Arbeitspunkte in B-H-Kennlinie) Gate: Bei Erhöhung der negativen magn. Spannung dehnen sich die Raummagnetisierungszonen stärker in den Kanal (N=+ → S=-) hinein aus und schnüren die magn. Strom/Flußbahnen ein.
• Source = Quelle (N-Pol) • Drain = Senke (S-Pol)
• Im leitfähigen Kanal fließt ohne angelegte magn. Spannung an G ein Magnetstrom/-fluß zwischen Source und Drain.
5.3 M-Isolierschicht-IG-FET (M-MOS-FET) • IG Gate-Isolierung
• Die CöO-lsolierschicht hat eine relative Permeabilität von ca. μr = 3,84
• Selbstieitender M-FET (Verarmungstyp) Magn. Feld der Gatespannung verdrängt bewegliche Magnetisierungsträger aus der Kanalzone, die dadurch an Magnetronen bzw. M-Löchern verarmt. Bei der magn. Gate-Source-Spannung null fließt schon ein Drain-Strom/Fluß: Die Übergänge sind offen.
• Selbstsperrender FET (Anreicherungstyp) Bei der magn. Gate-Source-Spannung null fließt kein Drain-Strom/Fluß: Die Übergänge sind gesperrt. Beachte bei N-Kanal FET Polung der Gate-Source-Spannung mit positivem Pol: Das M-Feld zieht die freien Magnetronen an die Oberfläche des Kristalls → es entsteht ein leitfähiger Pfad beweglicher Magnetronen zwischen S und Dr ein Nm-Kanal. Vergrößern der magn. Gatespannung reichert die Magnetisierungsträger im Kanal an. 5.4 M-IG-FET inline FM-Konstruktion (Fig. 170)
5.5 M-IGBT Iniine-Fθidmodufator 5.5.1 M-IGBT - magnetischer Insulated Gate Bipolar Transistor
• M-IGBT = Vereinigung von MBT (gutes Durchlassverhalten) mit M-FET (leistungslose Ansteuerung).
• Kleiner magn. Durchlasswiderstand.
• Ansteuerung fast leistungslos. • M-IGBT in Rückwärtsrichtung nur begrenzt sperrfähig (Ein M-Freilaufdioden).
• Anschlüsse: Emitter E, Collektor C, Gate G, Steuerung über G-E-Strecke, magn. Laststrom luß Φc über C-E-Strecke.
• Beachte Arbeitspunkt in B-Ha-Kennlinie.
M-IGBT Inline FM-Konstruktion (Fig. 171)
D. Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist die Magnetronik / magn. Feld-Halbleiterbauelemente & M-/E-Halbleiter-Feldmodulatoren verschiedene Vorteile auf. Da die Magnetronen und Magnetronen-Löcher nicht mit den positiven lonenrümpfen kollidieren, wird auch keine Wärme im üblichen Sinne erzeugt. Wegen der fehlenden Wärmeerzeugung sind die magnetronischen
Bauelemente in Mikro- sowie Nanostruktur herstellbar. Der Transport der Flußquanten (Magnetronen / Magnetronen-Löcher) erfolgt mit Phasen-/ Gruppengeschwindigkeit im magnetischen Halbleiter. Anwendung
Phasen-ZGruppengeschwindigkeit
Skalierung: Nano im Volumen 109 mal kleiner als Mikro plus den Vorteil der kurzen Wege bezüglich der Signal-Verarbeitungszeit (ca. Faktor 100 schneller, z.B. im NanoComputer. Hinzu kommt, dass die magnetronischen Bauelemente keinen äußeren elektrischen Strom benötigen, weil: a) Eine Feldkraftmaschine in Mikro- oder Nanostruktur als Stromgenerator mit auf dem Chip plaziert werden kann, um eine notwendige elektrische Energieversorgung zu gewährleisten, z.B. für magnetfelderzeugende aktiv modulierbare Spulen etc. b) die Magnetronik an sich keinen elektrischen Strom verbraucht. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die gesamte Magnetrotechnik und Magnetronik auch im elektrischen Feld mit Bausteinen aus Ferroelektrika angewendet werden kann (hier sind Oberflächenladungen die Polarisatoren). Ansonsten können alle elektrischen E- Feld-Halbleiterbauelemente analog den magnetischen aufgebaut werden (→ elektrische Hysteresephysik). Desweiteren wird der Supraleitende M-/E-Halbleiter erfindungsgemäß beschrieben . C. Beschreibung eines Weges zur Ausführung der Erfindung des Feldkraftgenerators
1. Feldkraftgenerator (Beispiel FKG mit 1 PM-Paar und 2 symetrisch kinematische FM's)
1.1 Fig. 172 a - e: FKG-Maschinen-Konstruktion
Beispiel Drehmomentumwandlung per Freilaufkupplung a) Vertikal-Längs-Schnitt (Fig. 1 2 a) und b) Aufsicht (Fig. 172 b)
Es wird das Grundprinzip einer Feldkraftmaschine, Typ Feldkraftgenerator (FKG), gegliedert in ein Power-Gehäuse-Modul und Kurbel-Gehäuse-Modul, gezeigt. Die Feldkraftmaschine befindet sich bei geschlossenem Feldmodulator (FM) im Gleichgewichtszustand und in OT-Position eines Kraft-Drehmoment- Wandlers und einer Kurbelwelle. Der Kraft-Drehmoment-Wandler ist im gezeigten Beispiel eine nur in einer Drehrichtung kraftumwandelnde Freilaufkupplung und kein Pleuellängen-Variator-System, mit dem besonderen Vorteil, daß die Freilaufkupplung die Kraft in der
Kraft-Weg-Kennlinie der Feldbatterien (FB) vom Maximum der Kraft an umwandeln kann.
Ein Starter-Einwellen-Motor-Generator (MG) startet die Rotationsbewegung und Energieauskopplung des Feldkraftgenerators (FKG).
Die Feldbatterien (FB1 und FB2), in ihrer Feldkraftwirkung gesteuert durch einen über einen Elektromotor angetriebenen Feldmoduiator (FM), treiben, im Öffnungs-Takt des Feldmodulators (FM), unter Krafteinleitung +F, und richtungsgeführt in einer Trennwand zum Kurbel-Gehäuse-Modul, je ein
Gelenk mit zwei Schubstangen, die FK-Schubstange unter Last +F, an.
Die Schubstange (FK) leitet die Kraft +F in OT-Stellung über ein Drehgelenk im Schnittpunkt 45° nach OT auf dem Freilaufkupplungs-Drehkreis ein. Dieses Drehgelenk bewegt sich unter Last auf dem
Freilaufkupplungs-Drehkreis mit einem Hubwinkel von 90° von OT nach UT, um mit dem, über Klemmkörper geklemmten Translations-Rotations-Wandler Typ "Freilaufkupplung" (FK), die Kraft in ein Drehmoment auf der Kurbelwelle umzuwandeln.
Die zweite Schubstange (P), gekoppelt über den Hubzapfen der Kurbelwelle auf dem Kurbelkreis der Kurbelwelle, bewegt diesen Hubzapfen im Arbeitstakt, unter Drehung der Kurbelwelle, von OT = 0° KW nach UT = 180° KW.
Nach Überschreiten der UT-Position der Kurbelwelle drückt die Schubstange "Pleuel" (P) im Leerhub ohne Last, wegen der zuvor auf die Schwungscheibe (S) übertragenen kinetischen Energie, den Kurbelzapfen von der UT- zur OT-Position. Dadurch wird die Freilaufkupplung, ohne Klemmung der Klemmkörper, in die Ausgangslage zurückgedreht. Die Freilaufkupplung oszilliert also im Arbeits- und Leerhub mit 90°, während die Kurbelwelle eine volle Umdrehung ausführt, um den Feldkraftgenerator (FKG) in die Ausgangslage zur Einleitung eines neuen Arbeitstaktes mit +F zurückzustellen.
Beide Schubstangen-Paare sind auf der Kurbelwelle um 180° phasenversetzt. Dadurch kann die Feldbatterie (FB1) als Magnet-Kolben K1 die Arbeitskraftraft +F bei OT = 0° KW in der 180° KW-Position, und die Feldbatterie (FB2) als Magnet-Kolben K2 gleichzeitig die Arbeitskraft +F bei OT = 0° KW in der um um 180° phasenversetzten 0° KW-Position, über den
Kraft-Drehmoment-Wandler mit Kurbelwellen-Rückstellung, einleiten. c) Prinzip symmetrische FM-Anordnung (Fig. 172 c) mit Feldmodulator-Ansicht, - Schnitt un Zahnstangen-Antrieb in Aufsicht Der kinematische Feldmodulator (FM) ist, wegen des Impulsausgleiches und kürzerer Schaltzeit (kürzerer Weg), in symmetrischer Bauweise ausgeführt (FM1 und FM2). Die Öffnung und Schließung erfolgt über gegenläufige Zahnstangen (Zahnstange), die über ein Ritzel angetrieben werden. Zur Unterbrechung der Wirbelströme ist die Feldmodulatorplatte in Streifen mit den Nummern 1-5 unterteilt.
Der Feldmodulator (FM) bewegt sich auf einer Äquipotentialfläche senkrecht zu den Feldlinien der Feldbatterien (FB), also senkrecht zur magnetischen Vorzugsrichtung, die als U-Magnete ausgebildet sind. Die Nordpole sind mit (+) und die Südpole mit (-) bezeichnet. d) Detail FM Schaltmechanismus (Fig. 172 d)
In der Ansicht, Aufsicht und im Schnitt A-A wird alternativ gezeigt, wie die transversale Feldmodulatorbewegung durch einen 2-Gelenk-Hebelmechanismus, eingeleitet durch die Drehbewegung einer
Welle und angeschlossenem Elektromotor, realisiert wird. e) Vertikal-Schnitt FM (Fig. 172 d)
Eine weitere Alternative, gezeigt in einer Ansicht, Aufsicht und Schnitt, zeigt die transversale Feldmodulatorbewegung, realisiert durch eine direkte
Kopplung mit einem Drehstrom-Linearmotor, der die Oszillation zwischen "Auf-" und *'Zu-"Stellung herbeiführt.
Der Unterschied zwischen den Antriebs-Alternativen "gegenläufige Zahnstangen", "2-Gelenk-Hebeimechanismus " und Drehstrom-Linearmotor, liegt im Verschleiß und in der Höhe des Auwandes an kinetischer Energie, d.h. der Antriebsenergie für den Feldmodulator (FM).
Die FKM-Steuerung, Blockschaltbild (Fig. 173) Die FKM-Steuerung, Blockschaltbild (Fig. 173) zeigt , wie das Beispiel
Feldkraftmotor gesteuert und messtechnisch kontrolliert wird.
Feldbatterien (multible PM's) (Fig. 174)
Mit der Anordnung multipler Feldbatterien wird eine kovariante Krafteinleitung gezeigt, d.h. der parallelen Einleitung der Kraft +F durch einen zweiten, simultan arbeitenden, Magnet-Kolbensat∑, der im "Leerhub" außerdem die Rückstellung des ersten Magnet-Kolbensatzes von der UT- nach OT-Position durch eine Gegenoszillation bewirkt. So werden beide Hub-Wege der Kurbelwelle mit der Kraft +F belegt.
1.2 FKM-Steuerung
FKM-Steuerung, Blockschaltbild. (Fig. 173)
A. Steuerung
1.0 Power 1.1 On/Off Schalter + Lampe
1.2 Sicherung
1.3 Starter a) Scheibenläufer-Motor oder b) Drehstrom-Synchron-Permananent-Motor mit hoher Polzahl (max. Drehmoment), nmax 15.000 min"1, hat höchsten Wirkungsgrad
1.4 Betriebszeit (t) Quarzoszillator
1.5 Ladezustand Batterie (V)
Lithium Ion oder Lithium Polymer Batterie
Reglerlampe: Drehstrom Klauenpolgenerator 14V, (bis 1600 W, 120A)
1.6 Kühlung Power-Cube (temperaturgeregelt) a) Außenkühlung mit Ventilator oder b) Innenkühlung mit Peltier-Element (Strom aus Überschuß der FKM) 2.0 Feldmodulator: FM-Regler für elektr. Ansteuerung
2.1 Auf/Zu
100% - „Auf bei OT = KW 0° 0% = „Zuα bei UT = KW 180° Regler A1 = % „Auf bei/nach OT = KW 0° - φ° A2 = immer „Zu" bei UT = KW 180 °
2.2 Verschlußgeschwindigkeit (t) Regler für Spulen-Strom (Impuls I) → Öffnungs-/Schließ-Zeit des FM bei 0° bzw. φ° nach OT
2.3 Verschlußzeitpunkt KW φ° nach OT
Regler B = Spät-Verschluß (0° KW bis + φ° KW nach OT)
3.0 Leistungsregelung Schalter schaltet manuell in Betriebsweise 1. oder 2.:
1. Bei Drehzahl- und Beschleunigungs-Regelung FKM in Betriebskurve mit max. Wirkungsgrad betreiben. 2. Bei Beschleunigung: FKM mit max. Leistung betreiben; wenn die Batterie fast entladen ist, dann umschalten auf Betriebszustand 1.) mit max. Wirkungsgrad zum Wiederaufladen der Batterie.
B. Meßgeräte
Mit Ausgängen für Vielkanalsch reiber/Oszillograph
1.0 Mechanik Feldmodulator: Kraft, Weg, Zeit
1.1 Feldmodulator (FM)
1.1.1 Position OT für "Auf bei KW = 0°-φ° nach OT: Kraft auf FM (N), Weg (mm, →% „Auf) offen, Zeit (s) (gemäß Impuls) Sensoren: Kraftmessung mit Federkörper oder induktiv Differenzialspulensensor: Weg Piezoelektrischer Sensor: Kraft, Druck, Schockwellen Piezoelektrischer Beschleunigungssensor: Beschleunigung Tauchmagnetsensor Geschwindigkeit
1.1.2 Position UT für "Zu" bei KW = 180 ° : Kraft auf FM (N), Weg (mm), Zeit (s) Sensoren: Kraftmessung mit Federkörper oder induktiv Differenzialspulensensor: Weg Piezoelektrischer Sensor: Kraft, Druck, Schockwellen Piezoelektrischer Beschleunigungssensor: Beschleunigung Tauchmagnetsensor: Geschwindigkeit 1.2 Spät-Verstellung, FM-Verschiußzeitpunkt Verstellung FM-Verschluß (KW <p° nach OT)
1.3 Pleuel (P)
1.3.1 Kraft auf FB1 -Pleuel (N), Position OT: Abstoßung OT→UT, Weg (mm), Zeit (s), Sensoren: Kraftmessung mit Federkörper oder induktiv Differenzialspulensensor: Weg Piezoelektrischer Sensor: Kraft, Druck, Schockwellen Piezoelektrischer Beschleunigungssensor: Beschleunigung Tauchmagnetsensor: Geschwindigkeit 1.3.2 Kraft auf FB2-Pleuel (N), Position UT: kraftlos UT→OT, Weg (mm), Zeit (s), Sensoren: Kraftmessung mit Federkörper oder induktiv Differenzialspulensensor: Weg Piezoelektrischer Sensor: Kraft, Druck, Schockwellen Piezoelektrischer Beschleunigungssensor: Beschleunigung Tauchmagnetsensor: Geschwindigkeit 2.0 Elektrik Feldmodulator
2.1 Eingang-FM (Spulen-Strom I, -Spannung V, -Leistung W)
2.2 FM nichtlineare Strom-Impulskurve (I) (für Verschlußgeschwindigkeit)
2.3 Magnetfeld: Magnetfeldsensor
2.3 Temperatur (T) FM, Silicium-Temperatur-Fühler 2.4 Temperatur FB1, FB2, Silicium-Temperatur-Fühler
3.0 Feldkraftmaschine FKM
3.1 Drehzahl (n), Tachogenerator
3.2 Drehmoment (Nm) 3.3 mech. Leistung (W)
3.4 elektrische Daten:
3.4.1 FM-Eingang (l,V,W)
3.4.2 FKM-Ausgang (l,V,W)
3.4.3 Differenz FKM-FM (l,V,W) → Wirkungsgrad 3.4.4 Wirkungsgrad %
3.5 Temperatur im Power-Cube, Silicium-Temperatur-Fühler
3.6 Option: Kühlung elektrisch mit Peltierelement aus Überschußenergie, statt Ventilator-Belüftung
3.7 Temperatur am Widerstand = Verbraucher (Ausgang FKM), Silicium-Temperatur-Fühler
2. Feldbatterie (multibie PM's) (Fig.174) Multiple PMs und Oszillation OT-»UT/UT→OT
3. Feldkraftmotor Elektrischer Feldkraft-Motor (FKE-Impulskonverter)
A. Technisches Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht Im Gegensatz zum magnetischen Feldkraft-Generator benötigt der
Feldkraft-Motor elektrische Energie, die zunächst aus dem Feldkraft- Generator gewonnen werden kann (in Pufferbatterie zwischengespeichert). Der FKE kann seine elektrische Energie auch von einer anderen elektrischen "Quelle" beziehen.
Im Feldkraft-Motor wird kein FM benötigt, dafür werden aber Magneser bzw. Elektreser eriϊndungsgemäß eingesetzt. B. Zu lösende technische Aufgabe
Gegenstand der Erfindung des Felfkraftmotors ist die Erzeugung von Magnet- feldem durch Magneser (gilt analog für Elektreser mit elektrischen Feldern).
Der Feldkraftmotor kann z.B. als Elektro-Hubkolbenmotor ausgebildet werden. Im Gegensatz zum FKG wird kein FM/PS benutzt, sondern die elektrische Primärenergie dient zur Speisung von Erregerspulen mit speziellen Verstärker-Kernen, die ein abstoßendes (oder anziehendes) Feld erzeugen.
Die Spule, mit am Arbeitspunkt des Materials abgestimmtem und verstärkendem passiven Kern-Material oder Hohlraumresonator mit aktivem Wirtskristall, wird Magneser bzw. Elektreser genannt.
C. Darstellung der Erfindung
Eriϊndungsgemäß ist das Wirkprinzip der Magneser-Maschine = Magneser-Motor bzw. Elektreser-Maschine = Elektreser-Motor nachfolgend erklärt : 1. Spule mit verstärkendem Kern Eine Maschine mit sehr hoher Magnetfeldverstärkung am Arbeitspunkt eines hochleitfähigen ferromagnetischen Stoffs (hohe Leitfähigkeit → hohe Verstärkung der Magnetisierung).Durch Impulsmagnetisierung mit Pulskompressionstechnik am Arbeitspunkt erfolgt die Magnetisierung. Dieser hoch nichtlineare, durch den Stoff am Arbeitspunkt magnetisch verstärkte Feld-Impuls,ermöglicht es, dass in dieser Maschine, eine nichtlineare Feldkraft-Stoßwelle (diese wird wie das Klopfen im Verbrennungsmotor, bedingt durch die Verbrennungsfront mit Schallgeschwindigkeit, kontrolliert) erzeugt wird.
2. Aktiver Festkörper-Magneser / Festkörper-Elektreser Als Analogie zu einer "Laser-Maschine" (Licht-Stoß / Impuls = Lichtblitz, gepumpt im Lasermaterial durch Licht), wobei die Magnetfeldverstärkung kohärent im dotierten magnetischen Wirtskristall stattfindet. Hierbei findet ein magnetischer (bzw. elektrischer bei Elektreser) Pumpvorgang (parametrische Erregung / Verstärkung mit Pumpfrequenz) mit Pulskompressionstechnik (analog einem Laser) statt. So entsteht ein magnetischer "Blitz", magnetisch gepumpt im Magnesermaterial.
3. Magneserdiode, Elektreserdiode
Wirkprinzip Magneser / Elektreser 1. Spule mit verstärkendem Kern Die magnetische Wirkung ist um so größer, je goßer die Durchflutung Θ und je kleiner die mittlere Spulenlänge ist (mittlere Feldlinienlänge). Die Erfindung wird durch die 1. und /oder 2. Optimierung erklärt. I. Optimierung
Optimierung des Maximums der magnetischen Wirkung zwischen Maximierung von Θ=I*N bei Minimierung von Lm.
Folge: Viele kleine Spulen in einer x-y-Matrix oder Dreiecks-Netz und in z-Kaskade angeordnet ergeben viel mehr magnetische Wirkung als eine große
Spule mit großem lm.
Ein Magnet hat eine um so größere Kraftwirkung, je dichter die magnetischen Feldlinien sind, also je größer der magnetische Fluß und je kleiner die Fläche ist, die von ihm durchsetzt wird.
2. Optimierung
Maximierung des magnetischen Flußes mit Minimierung der Fläche. Folge: Viele kleine Spulen in einer x-y-Matrix oder Dreiecks-Netz und in z-Kaskade angeordnet ergeben viel mehr magn. Kraftwirkung als eine große
Spule mit großem A.
Spule mit Kern als magnetischer Verstärker
Der Kern ist bei maximaler Aussteuerung magnetisch gesättigt; ab der Sättigung tritt keine Verstärkung mehr ein. Erfmdungsgemäß wird der höchste
Verstärkungsfaktor beim Arbeitspunkt A3 (μmaχ) in optimierten Kernen und Spulen verwendet, weil dann der Energieeinsatz am geringsten und die Verstärkung am höchsten ist. Die o.g. Optimierungskriterien sind für den Wirkungsgrad des Feldkraft-Motors ausschlaggebend. Weitere Optimierungskriterien a) Beim weichmagnetischen Stoff ist der Entmagnetisierungsfaktor N=1 mit - (BH)max (negative Energie) zu beachten. Der Kern ist zuerst zu optimieren, danach die Spule. b) Ebenso wie beim PM wird bei der Optimierung das Optimum von Haftkraft zu Gewicht des Magneten (hier mit Kern + Spule + Rückschluß, je nach Design) angewendet (das optimierte Verhältnis V=H/G). c) Auch die transversale Kraft-Weg-Kenπlinie ist für Transversal-Maschinen maßgebend. d) Der Kern kann lameliiert werden (mit Oxid-Isolationsschichten gegen Wirbelstrom-Verluste), bei Ein-, und Bikristallen sind diese entlang der magn. Vorzugsrichtung zu teilen. Es ist die Kristall-Anisotropie etc. zu beachten, ggf. können kornorientierte Bleche verwendet werden. e) Es sind hochpermeable Stoffe zu verwenden Bei der Optimierung ist zu beachten: Vom höchsten μmax aller ' Legierungen ausgehen und die dazugehörende Induktion Bo t [Tj anwenden, das ist der höchste Verstärkungsfaktor. Dies ergibt vielejcleine Magneser in einer Matrix und Kaskadenanordnung (Magneser-Batterie) . Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Einkristallen, die zu - Lamellenpaketen (wegen Wirbelströmen + Spinrelaxation) zusammengesetzt werden. f) Auf die Impulspermeabilität und Induktionshub bei kleinem ή ist zu achten. g) Auf die geometriebedingte Eigenresonanz des Kerns ist zu achten (Ummagnetisierungs-Verluste) .
Induktion durch Impulsmagnetisierung + Pulskompression Bei Feldänderung erhält man beim Ein- und Ausschalten (Impulsmagnetisierung + Pulskompression) im Magneser ein sich sehr schnell änderndes Magnetfeld (deshalb werden in einer 2. Spule/Ieitenter Induktionsring hohe Spannungen induziert) und damit eine große Änderung des magnetischen
Flusses.
Magneser / Elektreser mit leitendem Verstärker-Kern
Folge: Verstärkungswirkung durch den beiAz abgestimmten ferro-/ ferrimagnetischen Kern.
Diese Einheit von optimierter Spule und genau abgestimmten verstärkendem Kern, nennen wir Magneser bzw. bei ferro-/ferrielektrischem Stoff Elektreser, weil er durch Impulsmagnetisierung (Impulselektrisierung) mit Pulskompression mit hohen zeitlich verdichteten Stromimpulsen (nichtsinusförmiger Strom/Spannung), im Takt des Motors, gespeist aus der Feldkraftmaschine über ggf. eine Pufferbatterie, am Arbeitspunkt A3 des Materials, verstärkt und gepulst, betrieben wird.
2. Aktiver Festkörper-Magneser- / Elektreser Holraumresonator mit dotiertem Wirtskern als magnetisch induzierte
Emissions-Pumpe
Prinzip magnetischer Festkörper-Magneser / -Elektreser
Erfindungsgemäß besteht eine Analogie zum Laser darin, daß beim Magneser magnetisch aktives Material magnetisch gepumpt wird.
Der aktive Feld-Festkörper-Magneser, beim elektrisch aktiven Feld-Festkörper- Elektreser, kann in verschiedenen Wirtskristalllen realisiert werden. Das Prinzip besteht in einem Verstärker-Kern (Wirtskristall plus dotierte magnetisch/elektrisch aktive Atome) und induzierte / oder stimulierte magnetische/elektrische Emission (s aktiver Magneser/Elektreser)
Am Arbeitspunkt eines magn. aktiv ferro- /ferrimagnetischen Kerns, wird dieser Mittels magnetischem Pumpeffekt durch einen starken magn. Hohlraumresonator zu einer kräftigen stimulierten magnetischen Emission gezwungen. Die kohärente magnetische Verstärkung basiert auf einer magnetischen Besetzungsinversion. Als aktiv magnetisches Material kann ein Wirtskristall mit dotierten Ferroatomen dienen, z.B. Dotierung (ca. 1%) mit Neodym, Dysprosium, Erbium, Holmium etc. Bei den Lathanoiden werden die retativ tief innen liegenden magnetischen Energiezustände, die sogenannte 4f-Schale, sukzessive mit
Elektronen-Spinmomenten gefüllt. Die Spinmomente der äußeren Elektronenhülle, die die magnetischen Bindungszustände im Kristall bestimmen (Austauschintegral) stören die 4f-Schalen nur geringfügig. Die 4f-Schalen besitzen deshalb- scharfe magnetische Energiezustände, die sich hervorragend zur Erzeugung von festfrequenter Magneserstrahlung eignen. Die Oszillationsfrequenz, die an die Absorption angepaßt sein muß, ist abzustimmen an das aktive Material. Ein HF-Feld B' regt die Übergänge in den beiden Richtungen an: Absorptionen, bei denen der Spin in einen energetisch höheren Zustand klappt, und erzwungene Emissionen, bei denen er in einen tieferen klappt. Die ersten entziehen dem HF-Feld Energie, die zweiten führen ihm welche zu. Die Übergänge hängen vom Besetzungsgrad und Anfangszustand ab. Alternativ zum magn./elektr. Hohlraumresonator kann eine effiziente
Hochleistungs-Magneserdiode / Elektreserdiode den Pumpvorgang (magnetische Anregung erzeugt die magnetische Inversion) vornehmen. Das vorgenannte Prinzip funktioniert analog auch bei ferro-/ferrielektrischen
Systemen; hierbei ist nicht der Spin, sondern die Oberflächenladung auf dem Kristall für den Elektreser maßgebend.
Induzierte oder stimulierte magnetische / elektrische Emission von Flußquanten
Beispiel am magnetischen Flußquant (analog für elektr. Flußquant).
Ein Flußquant der Energie
Figure imgf000135_0001
Spinmoment von einem hohen magn. Spinmoment-Energieniveau E2 auf ein tieferes magn.
Spinmoment-Energieniveau Ei stimulieren (Übergangsrate) → M-Emission.
Ein Flußquant der betreffenden magn. Energie kann aber auch absorbiert werden und damit ein Spinmoment vom tieferen magn. Energiezustand Ei auf den höheren E2 heben (Übergangsrate) → M-Absorption.
Um eine kräftige stimulierte magnetische Emission zu erhalten, muß eine magnetische Besetzungsinversion, d.h. N2 Nι vorliegen; die magn.
Besetzungsinversion wird durch magnetisches Pumpen mit Hilfe eines starken magnJelektr. Holraumresonators erzwungen.
Das Prinzip der M-Emission / M-Absorption kann auch auf M-Makros (Spinmoment-Kollektiv) , wie Elementarzelle, Einkristall, Korn mit ihrer spontanen
Ausrichtung (Spinmoment-Makro) - analog eines einzelnen Elektron-Spinmomentes - im Festkörper angewendet werden.
Resonator - magnetischer Interferometer Der Magneser kann mit aktivem magnetischen Material, bei Elektreser elektrisch aktiviertem Material eingesetzt in einen magn. Resonator mit zwei magn. Spiegeln, versehen werden. In diesem magn. Resonator baut sich eine stehende magn. Welle auf (magn. Flußquanten), die sich in longitudinaler Richtung bewegen, durchqueren immer wieder das magnetisch aktive Material und werden magnetisch kohärent verstand:, während solche magn. Wellen, die den
Weg schräg zur Längsachse nehmen, sehr schnell das magn. aktive Material verlassen und nicht weiter verstärkt werden (beachte Kristall-Ansiotropie). Bei der Bündelung / Verstärkung beachte man die magn. Brechung, die für diesen Effekt mit verantwortlich ist. Der magn. Spiegel Si hat eine magn. Reflexion von 100%, während der
Auskopplungsspiegel S2 eine geringe magn. Transmission aufweist. Dadurch wird ständig ein Bruchteil der Flußquanten ausgekoppelt.
Der Magneser bzw. Elektreser arbeitet im Impulsbetrieb.
Resonatorgüte
Während des magn. Pumpvorgangs wird die Resonatorgüte Q künstlich niedrig gehalten, so dass der Magneser nicht anschwingt und eine hohe magn.
Besetzungsinversion aufgebaut wird. Erhöht man nun zu einem bestimmten Zeitpunkt die Güte (Güteschalter), so entlädt sich die ganze im magn.
Resonator gespeicherte magnetische Energie in einem kurzen, leistungsstarken
Magnetpuls.
Folge: magnetisch hohe Monochromasie und damit zusammenhängend räumliche und zeitliche Kohärenz. Güteschalter: magnetische bzw. elektrische Zellen im Resonator eingebaut.
Magnetische / elektrische Güteschaltung (Qm-/Qβ-Switching)
Im Magneser- bzw. Elektresermedium kann die Anregungsenergie der magnetischen bzw. elektrischen Inversion gespeichert werden, wenn die Lebens- dauer des oberen Magneserzustandes / Elektreserzustandes nicht zu kurz ist.
Innerhalb der Zerfallszeit des oberen Zustandes kann man magnetische bzw. elektrische Feld-Energie in das magnetische / elektrische Medium mit einem DauerstrichmagneserAelektreser pumpen, wenn man gleichzeitig die Magneser-/Elektreserosziliation unterdrückt. Dazu wird ein Güteschalter verwendet, der den Gütefaktor des Magneser-/Elektreserresonators stark reduziert. Es wird für kurze Zeit eine magnetische bzw. elektrische Feld- Verstärkung aufgebaut, die die gesättigte magnetische bzw. elektrische Verstärkung des Dauerstrichbetriebs weit übersteigt. Bei Öffnung des Güteschalters führt diese große Verstärkung kurzzeitig zur Emission eines magnetischen bzw. elektrischen Riesenimpulses.
Höchstleistungs-Magneser / Elektreser
Durch geeignete magnetische bzw. elektrische Verstärker kann die magnetische bzw. elektrische Feld-Energie angehoben werden. Um zu extrem hohen Leistungen zu gelangen, müssen die magnetischen bzw. elektrischen
Feld-Pulse während des Verstärkungsprozesses zunächst künstlich verlängert werden (wegen der extremen Leistungsdichte im Verstärkermedium). Nach der Verstärkung werden die magnetischen bzw. elektrischen Feld-Pulse einfach wieder komprimiert und stehen dann mit ihrer extremen Leistung im Kurzzeit-Magneser bzw. -Elektreser zur Verfügung.
Magnetisch aktives Material
Z.B. Neodym im Wirtskristall mit Dotierung (Ny wie gefrorenes Gas unabhängiger Atome); Wirtskristall muß hervorragende magn. Qualität besitzen und große Wärmeleitfähigkeit → Abwärme.
Magnetischer Spiegel Z.B. mit periodischer magnetischer Brechungsindex-Modulation. 3. Magneserdiode, (Halbleiter-Magneser) Elektreserdiode (Halbleiter-Elektreser)
Die Größe der magnetischen bzw. elektrischen Bandlücke ist eine Eigenschaft des magnetischen bzw. elektrischen Halbleitermaterials. Die magnetische Inversion kann man durch Injektion von Magnetisierungsträgern
(Magnetronen und Magnetronen-Löcher auf der Basis von Magnetonen (μB ~) und
Magnetonen-Löchern (μB +)) in einem magnetischen Halbleiter mit PmNm-Über- gängen erzielen.
Die Magnetonen-Löcher sind positive magnetisierte, unbesetzte Elektronen-Spinzustände (μB +) und können im Übergangsbereich mit einem
Magneton-Spinzustand (μs~) unter Emission eines Photons (Magnetron)
"rekombinieren".
Vorwärtesbetrieb von PmNm-Übergängen im magnetischen Halbleiter:
Im Bereich des Übergangs treffen Magnetronen im magnetischen Leitungsband und Magnetronen-Löcher (siehe Magnetronik) aufeinander und können unter
Emission von magnetischer Strahlung (Magnetronen) rekombinieren.
Die Magneser- bzw. Elektreserdioden sind in Mikro- (Mikromagnetronik) und Nanostrukturen (Nanomagnetronik) herstellbar. M- bzw. E-Halbleitersystem: Spaltflächen eines M- bzw. E-Kristalls formen die
Endspiegel des magn. Stehwellenresonators. Die aktive PmNmPm -Zone + Schichtenfolge sind nur wenige μm dick. M-Resonatorlänge L < 1 mm.
Anwendung: Kleinmaschinen etc., Nanostrukturen
Wirkprinzip Feldkraft-Motor 1. Zwei-Magneser-Prinzip
Es werden nun zwei Magneser bzw. Elektreser in abstoßender (oder anziehender) Position (antiparallel in Repulsion) longitudinal gegenüberstehen, beweglich auf einer Achse montiert (Fig. 175).
Im Gegensatz zum Feldkraftgenerator befindet sich kein Feldmodulator dazwischen - die Magneser berühren sich fast - so wird die extreme abstoßende Impuls-Feldkraft an den Polen direkt nutzbar, ohne daß ein Luftspalt den Fluß mindert.
Nur die Polform kann z.B. konkav oder über den magnetischen Brechungsindex gestaltet werden (homogenisiertes Feld) oder es wird eine Helmholz-Spulen-Anordnung gewählt, um die abstoßende bzw. bei Umpolung anziehende Feldkraft gleichmäßig auf die Polflächen übertragen zu können
(= Anpassung an Arbeitspunkt A3 und Vermeidung überhöhter mechanischer Spannungsspitzen im Werkstoff).
Man kann je einen Primär-Magneser bei UT mit einem zweiten Magneser kombinieren, um die oszillierende Bewegung jeweils auch mit Abstoßung bei
UT und Abstoßung bei OT zu kombinieren, so wird auch der negative Hub -h genutzt (Fig. 176). a) Abstoßung, b) Anziehung -F, c) Abstσßung (umgepolt), d) Anziehung -F
Bemerkung: 1) Ohne Impulsausgleich: ein Magneser ist stationär und ein Magneser oszilliert. 2.) Mit Impulsausgleich: Zwei Magneser oszillieren.
Es kann ein stationärer Magneser (Stator) und ein beweglicher/oszillierender Magneser (Läufer) als Kolben (hier sind keine Gleichgewichts-Zustände mit FM wie beim FKG zu realisieren) verwendet werden, so dass die abstoßenden Kräfte bei OT und die abstoßenden Kräfte bei UT in der Maschine genutzt werden können (Boxer-Motor).
Es sind aber auch zwei gegenläufige bewegliche Magneser wegen des Impulsausgleiches möglich.
Es kann auch eine Tauchspulen-Konstruktion verwendet werden, denn diese hat in bezug auf den Hub eine bessere Kraft-Weg-Kennlinie, die dem
Drehwinkel mit Drehmomentverlauf an der Kurbelwelle besser angepaßt werden kann (Fig. 177).
Auch kann das PM-Transversal-Prinzip als Hubkolben-Maschine verwendet werden (Fig. 178), in diesem Fall bleibt der Luftspalt konstant.
Technische Informationen
Wegen der schnell oszillierenden bewegten Massen kann zur Reduktion der kinetischen Energie die Luft-Spule z. B. aus Aluminium statt Kupfer verwendet werden - das Leistungsgewicht des Magnesers ist dann (wegen des Dichte- und spez. elektr. Widerstands-Verhältnises) fast einen Faktor 2 besser.
Ebenso erhöht eine Luft- bzw. Wasserkühlung etc. die Leistung und senkt die Joule'schen Verluste.
Bei Elektresern wird statt der Spule ein Piattenpaar zur Erzeugung des elektrischen Feld-Impulses verwendet.
2. Ein Magneser- und ein Induktor- Prinzip Ein Magneser ist mit längerem ferro-ferrimagnetischem Kern stationär (Stator) positioniert und erzeugt in einem auf diesem Kern beweglichen AL-Induktor (AL-Ring oder Sekundärspule als Induktions-Kolben = Läufer) einen starken Wirbelstrom: Die Änderung des Spulenstroms beim Einschalten induziert im AL-Ring einen Strom, dessen Magnetfeld dem Feld der Spule entgegengerichtet ist (Lenzsche Regel). Der Ring wird abgestoßen.
Beim Ausschalten haben beide Felder die gleiche Richtung. Der Ring wird angezogen. Wir benutzen diesen AL-Ring als Kolben, so dass die abstoßende Kraft bei OT und die anziehende Kraft bei UT in der Maschine verwendet werden kann (Fig. 179).
Trotzdem kann die Maschine auch mit einem bei UT positionierten zweiten Magneser verwendet werden (Nutzung von +F bei -h), so dass die Abstoßung beim Einschalten des zweiten Magnesers die Anziehung des Primär-Magnesers ergänzt (Addition der Kräfte / Stpßwellen) (Fig. 180). M = Magneser, I = Induktor, a) M1 2 stationär, I oszillierend
Es sind aber auch zwei gegenläufige bewegliche Läufer (Magneser /AI-Ring) wegen des Impulsausgleiches möglich.
Alternativen
Wie beim reinen Magneser Betrieb (ohne Induktor) kann ein Tauchsputen-Induktor-Prinzip für eine andere Kraft-Weg-Kennlinie oder ein Transversal-Induktor-Prinzip mit transversaler Hubbewegung verwendet werden.
3. Leistungsabtrieb
Der Abtrieb für die Leistung erfolgt beim Feldkraftgenerator wie folgt: a) Direkte Erzeugung von Primärenergie über Wanderwellen-Synchron- Generator (Linearmaschine) b) über Translation-Rotation-Wandler an: -.. - . . _ -. ... - Drehstrom-Synchron-Generator oder - das Drehmoment direkt als Maschinenantrieb.
Bei der Umsetzung der Arbeit ist der Pleuellängen-Variator einzusetzen - er ermöglicht eine direkte und unmittelbare Umsetzung der abstoßenden Stoßwellen-Feldkraft bei OT (ggf. auch bei UT - je nach Konstruktion) mit einem maximalen Hebelarm bei φ-90α KW statt wie bisher bei klassischer Kurbelwelle im Verbrennungsmotor mit φ - 6" bis 12" KW, je nach pmax. D. Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Erfindungsgemäße Feldkraftmotoren mit Magnesem/Elektresem weisen verschiedene Vorteile auf. Erzeugung der Arbeit des Feldkraftmotors
Im Gegensatz zum FKG wird beim FKE zur Erzeugung der abstoßenden (bzw. anziehenden) Feldkräfte ein Erregersystem (Spule mit Kern = Magneser, oder aktiver Festkörper-Magneser oder Halbleiter-Magneser) statt permanenter Felder benutzt. Analog kann der Elektreser (Basis elektrisches Feld) mit seinen verschiedenen Prinzipien angewendet werden.
Wahlweise kann anstatt eines Gegen-Magnesers ein Induktor eingesetzt werden, in dem der starke magnetische Puls des Magnesers einen induzierten Wirbestrom mit abstoßendem Feld im Induktor erzeugt. Der Vorteil dieses Motortyps besteht darin, daß mit geringer äußerer
Energiezufuhr eine abgestimmte und sehr hohe Verstärkungswirkung einerseits und andererseits durch die Feldkräfte in Normalenrichtung eine wesentlich höhere Effizienz entsteht, als dies bei tangential wirkenden Motoren möglich wäre, obwohl tangential arbeitende Feldkraftmaschinen ebenso zum Erfindungsanspruch gehören (Drehfeldkraftmaschinen (FKG, FKE).
Beide Maschinentypen FKG und FKE haben als Hubkolbenmaschinen dehalb eine ganz andere Kraft-/Drehmoment- und Leistungsentfaltung als klassische rotierende elektromagnetische Maschinen. Demzufolge entwickeln sie eine wesentlich verbesserte Dynamik bei Verwendung als Antriebsaggregat, und die Energie der Feldbatterie ist im Falle des FKG permanent vorhanden. Insofern wird durch den Feldkraftgenerator im Sinne einer Quelle Energie "erzeugt", weil permanente magnetische Feldenergie in mechanische Energie umgewandelt wird.
Folge der hohen bis extremen Verstärkung ist, daß die Maschine eine hohe bis sehr hohe Dynamik, Momentankraft und Momentandrehmoment abgeben kann. Im Gegensatz zu konventionellen elektrischen Antriebs-Maschinen (Motoren) beseitigt sie also die allseits bekannte Beschleunigungsträgheit klassischer Elektromotoren (siehe z.B. Autos).
4. Pleuellängen-Variator (PV)
A. Technisches Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht
Die Erfindung bezieht sich auf Kraft-Drehmoment-Wandler, die eine Linearbewegung in eine Rotationsbewegung mit wesentlich höherer Effizienz vornehmen.
B. Einschlägiger Stand der Technik
Bei der klassischen Kurbelwelle (Kraft-Drehmoment-Wandler) wird die Arbeit bei maximalem Verbrennungsdruck eines Hubkolben-Verbrennungsmotors (siehe p, V-Diagramm) bei ca. 6-12° KW eingeleitet. Der Hebelarm zur Erzeugung des maximalen Drehmomentes bei maximalem
Druck ist also relativ klein.
C. Zu lösende technische Aufgabe Gegenstand der Erfindung ist ein Pleuellängen-Variator, der die Kraft bei
90°Kurbelwelle einleitet und in ein Drehmoment umsetzt.
D. Darstellung der Erfindung Da die Kraft im Abstand null zwischen den Magneten am höchsten ist und diese Kraft außerdem mit einem größeren Hebelarm bei 90° KW umgesetzt werden soll, wurde ein Pleuellängen Variatαr in 4 Varianten erfunden. Grundsätzlich bleibt der Kolben in OT- bzw. UT-Position stehen bis sich der Hubzapfen der Kurbelwelle von 0° (OT) nach 90° (OT') KW bzw. von 180° (UT) nach 270° (UT) KW gedreht hat - die Höhendifferenz wird durch den
Pleuellängen-Variator ausgeglichen.
Kurbeltrieb mit Hebelarm bei φ = 90° KW: der Pleuellängen-Variator
Bei der Feldkraftmaschine besteht ein grundsätzlicher Bedarf für eine andere Lösung als der klassische Kurbeltrieb, weil die Kraft-Weg-Kennlinie bei OT sehr stark abfällt (magnetisches Verktorpotential in Normalenrichtung an den Polflächen, ähnlich Coulomb-Potential), wenn sie nicht durch eine geeignete Polflächenform oder Tauchsystem etc. in der Kraft-Weg-Kennlinie flacher ge- staltet wird - sie beginnt in ihrem Kraft-Maximum jedoch immer bei OT und nicht 6-12° KW nach OT, wie das Druck-Maximum eines Otto- oder Diesel-Motors.
Ziel der Erfindung des Pleuellängen-Variators ist die Einleitung der Impulskraft bei φ=90° KW und die Einführung einer Ruhephase für den
PM-Kolben bei OT φ=0°-90° KW, während sich die Kurbelwelle bis φ=90° KW weiterdreht. So gewinnt man Zeit (der/die PM-Kolben bewegt/en sich nicht), um den Feldmodulator kinematisch langsamer aus der Gleichgewichtsposition heraus zu schalten, und um den Felddruck aufbauen zu können (Auf-Position bei OT = Ungleichgewicht der PM's), oder bei der stationären Lösung das entsprechende Feld im FM bei OT zu deaktivieren (→ Abstoßung der PM's).
Gleiches Prinzip gilt für die UT-Position, in der der kinematische FM wieder in die Zu-Position bewegt wird, damit die PM-Kolben bei ihrem Weg in die OT-Position sich nicht abstoßen (Gleichgewichts-Zustand).
Auch die aktiven stationären FM's haben das zeitverzögernde Problem des Feldkraftaufbaus mit maximalem Druck, so dass die Totzeit der PM's in φ = 0 - 90° KW genutzt werden kann.
Lösungsvarianten mit Pleuellängen-Variator (PV):
1. Höhenfunktion MKZ u. ΔVHZ relativ zur KW-Achse mit Nockenscheibe NS und Stößel auf KW a) explizite Lösung b) implizite Lösung
2. Höhenfunktion ΔVHZ relativ zur KW-HZ-Achse mit Nockenscheibe NS und Stößel auf KW-HZ = implizite Lösung (Variator-System rotiert mit)
3. Ausgleichsgetriebe 2 Variator-Pleuelstangen, je eine für K1 und K2, ca 180° versetzte HZ (Δφ). 4. Ausgleichs-Kurvenscheibe ortsfest 1 Variator-Pleuel für K1 und K2 mit seperatem Hubteiler mit 1/2 H K1 und 1/2 H K2.
Funktion des PV 1. Kinematisches Prinzip / Aufgabe des PV
Der Pleuellängen-Variator (PV) hat die Aufgabe den Kolben, zwischen der UT-Position ψ=0° KW und der Position OT' ψ=90° KW, in seiner Lage konstant zu halten, während sich die Kurbelwelle weiterdreht. Die gleiche o.g. kinematische Funktion des PV wird zwischen UT ψ=180° KW und UT'=270° KW realisiert.
Die Verlängerungs-/Verkürzungsfunktion des PV wird durch ein variables oberes Pleuel Pi mit ΔPi erreicht = 2. Kurbeltrieb. Die Pleuel-Längen-Steuerung synchron und phasenbezogen zur Kurbelwellen- drehung kann nach verschiedenen Prinzipien erfolgen, die nachfolgend beschrieben werden. 2. Konstruktion ΔP1 -Pleuel-Längenvariation 2.1 J=ünktionsabschnitt Verlängern / Verkürzen In Funktionsabschnitt Verlängern / Verkürzen erfolgt dann keine ^Kraftübertragung, wenn der FM "ZU" ist → Entlastung für ΔPi-Variator. Bei sinusförmigem FM2-Öffnen und gleichzeitigem FM-Schließen des F i überwiegt die Krafteinleitung auf Pi bzw. ΔP Variator nach 1/2J FM-Bewegung.
Der kinematische FM könnte natürlich auch mit einem Nocken anderer Funktion bewegt werden (sogar Öffnen und Schließen verschieden) oder mechanisch entkoppelt und mit einem Linearmotor kurz vor φ=90° bzw. φ*270° sehr schnell bewegt werden, wenn keine Totzeit da wäre (bei φ=0°) (beachte kinetische Energie, PM-Anziehungs- und Wirbelstromkräfte) - in der Zeitspanne davor wäre der ΔPi -Variator ohne Krafteinieitung. 2.2 ΔPrLängenvariation Die ΔPi-Längenvariation soll, wegen großer Längen- bzw. Kurvenscheiben-Differenz (je 1/2 ΔPi), auf der Kurvenscheibe minimiert werden - entscheidend ist das Übersetzungsverhältnis des Pi '-Längenvariators →statt NS auf KW → NS auf HZ. 2.3 Gegenbewegung Magnetkolben K2 Beim 2-ten Kolben ist die Bewegung von ΔPi2 entgegengesetzt (ΔPi verlängert, ΔPi2 verkürzt), da sich der Hubzapfen HZ auf der gegenüberliegenden KW-Position befindet. 2.4 Krafteinieitung Entscheidend ist die Position OTi' (Krafteinleitung +F) und UT Krafteinleitung -F. Die Pleuellänge ΔPi ist bei Pos. (3) («Wendepunkt φ=180°) voll ausgestreckt, der MKZ hat durch die Verkürzung zwischen φ=180°→φ=270° den tiefsten Punkt erreicht = UTι\ so dass sich der Hub aus der Länge ΔPi ergibt d.h. aus der MKZ-Position. 2.5 Phasenversetzter Magnetkolben K2 Der Kolben K2 ist im Steuerdiagramm um 180° phasenversetzt, d.h. er befindet sich in Pos. (4), wenn Ki sich in Pos. (2) befindet, beide haben in dieser Position Kraft +F durch die Feldbatterie der PM's. 3. ΔPi-Steuerdiagramm 3.1 Explizite Lösung (Fig. 181, 182, 183) Der PV besteht aus oberem Pleuel Pi und und unterem Pleuel P2. Der PV ist ein 2. Kurbeltrieb im oberen Kolbenzapfen (OKZ) und integriert in den oberen Pleuel Pi, er bewirkt den phasenrichtigen Längenausgleich ΔPi zur Kurbelwellenposition. 3.2 Implizite Lösung (Fig. 184) Die implizite Lösung hat ein Gelenk weniger als die explizite Lösung. Der PV ist ein 2. Kurbeltrieb im oberen Kolbenzapfen (OKZ), integriert in den oberen Pleuel Pi, er bewirkt den phasenrichtigen Längenausgleich ΔP zur Kurbelwellenposition.
Der PV besteht aus Pleuel Pi und P2, wobei der OKZ nun in den Hubzapfen (HZ) der Kurbelwelle integriert wurde (ein Gelenk weniger → kürzere Geamtbaulänge mit niedrigerem Schwerpunkt des Generators/Motors). 3.3 Hubzapfen-Position
(Fig. 185) zeigt die kinematische Situation mit PV für Kolben K1
(Fig. 186) zeigt die kinematische Situation mit PV für Kolben K2
Das Kinematik-Diagramm zeigt, daß, wenn der HZ-K2 180° gegenüber von K1
(ψ = 90° -Δφ) steht, Δφ für K2 ein - trägt, weil vonder gespiegelten Position OT2 φ = 0° (= UT! * bei K1 φ = 180°) ΔPt verlängert wird.
Um mit K1 im Hub symmetrisch zu sein, und K1-K2 gegenläufig oszillieren zu lasse, muß das K2-System Total gespiegelt werden (rote Zeichnung), womit Δφ bei φ = 90° ein + als Vorzeichen erhält. Folge: Die Phasen für Hub, Verlängerung/Verkürzung verändern sich gegnüber K1.
3.4 ΔPi-Steuerdiagramm mit symmetrischer Krafteinleitung Arbeit + F und Leerhub - F als Arbeitshub. (Fig.187)
4. Pleuel-Längen-Steuerung
4.1 Prinzip A = Höhenfunktion MKZ u. ΔVHZ relativ zur KW-Achse (Fig. 188)
Konstruktion mit Nockenscheibe NS und Stößel auf Kurbelwelle KW.
Steuerung des mittleren Kolbenzapfens MKZ und Variator-Hubzapfens VHZ durch eine relativ zur Kurbelwelle mitrotierende Kurvenscheibe
= Nockenscheibe NS. Der Stößel ist mit dem PV verbunden, siehe Zeichnung
"Mechanischer Aufbau" (Fig. 182). Nachteil: sehr spitze Kurvenfunktion mit
Abroll-Problem zum Rollradius RNR bei konkavem Nockenscheiben-Punkt.
Venwendung für: a) explizites Prinzip b) implizites Prinzip.
Zeichnungen Prinzip A: Kurvenscheiben-Konstruktion für K1 und K2 (Fig. 188).
4.2 Prinzip B = Höhenfunktion ΔVHZ relativ zur KW-HZ-Achse Kurvenscheiben-Konstruktion (Fig. 189)
Schnitt durch KW und PV (Fig. 190) Ansicht KW und PV (Fig. 191)
Konstruktion mit Nockenscheibe NS und Stößelauf KW-HZ = implizites Prinzip (P-Variator-System rotiert mit).
Durch diese Variante werden sehr spitze konκave Punkte auf der Nockenscheibe vermieden und die auf dem HZ mitrotierende Nockenscheibe ist geometrisch kleiner, weil nicht sσeine große Hubdifferenz zur Steuerung des PV realisiert sein muß, wie bei Prinzip A. Der Stößel ist demnach mit dem Pleuel immer in seiner Winkel-Richtung, jedoch nicht in seiner Höhenlage, verbunden; auf dem Pleuel P2 ist eine Gleitvorrichtung zur Führung und relativen Bewegung des Stößels angebracht. 4.3 Prinzip C = Ausgleichsgetriebe
Prinzip C: Ausgleichsgetriebe, Übersicht (Fig. 192) Ausiegerarm und Elemente-Bezeichnungen (Fig. 193) Prinzip Ci Kurbeltrieb, Prinzip C2 Exzentertrieb (Fig. 194) Konstruktion mit 2 Variator-Pleuelstangen, je eine für K1 und K2, ca 180° versetzte HZ (Δφ).
Der Hubzapfen HZi wurde über einen Ausleger in seiner Winkel-Lage und einer Radiendifferenz eines Zahnrades mit r= /2 ΔP (r=1/2 Höhendifferenz zwischen Ist- und Sollbogen des HZ3 bei ortsfestem PZ
→ Pleuel-Längenvariation) versetzt und mit einem lokalen und mitrotierenden PV-Kurbeltrieb oder Exzentertrieb versehen, dessen Steuerung mit diesem Zahnrad - gekoppelt mit Außenrad Za und/oder Innenrad Z\, je nach Steuerungsfunktion - erfolgt (= Ausgleichsgetriebe).
D.H. die Achse des PV wurde in die neue Lage des Kurbelwellen-Hubzapfens HZ2 integriert, statt wie bei Prinzip A und B extern positioniert.
Folge: Der HZ3 des Pleuels bewegt sich nun auf einem Ausgleichsbogen = Soll-Bogen (Radius mit Zentrum in PZ als relativ und momentan ortsfester
Punkt des PZ) um HZ2) statt auf dem Ist-Bogen des HZ1. Folge: Der Pleuelzapfen PZ ist während der KW-Drehung von φ=0° bis φ=90° KW in seiner Lage konstant arretiert mit der Folge, dass der Kolben während der KW-Drehung seine OT-Position nicht verändert; gleiches gilt für die UT-Position. Damit keine PZ-Bewegung entsteht,muß jedoch eine Klemmuπg (z.B. magnetisch) des Hubes während dieser Phase erfolgen, so dass HZ3 auch dem Soll-Bogen folgt.
Prinzip C1: P-Variator-Kurbeltrieb Prinzip C2: P-Variator-Exzentertrieb
Oszillation ΔP: 0→ΔPmax
1. Bewegung HZ2 auf Sollbogen 2. Eliminierung von ΔP a) Kurbeltrieb mit Zahnrad Übersetzung i=4:1 b) Exzentertrieb mit Zahnrad Übersetzung 1=4:1 Übersetzung i: HZ bewegt sich um φ=45° →VP dreht sich um α=180° → i= 4:1 → VP gleicht Ist HZ1 nach Soll-Bogen mit HZ3 aus
3. Zahnrad Kopplung a) Außenrad Za 360° → bei UT→UT kein Ausgleich mit HZ3 b) Akzeptanz der Unter-Oszillation des Hubes zwischen UT→UT' → wenn keine Kraft F von Kolben K, dann o.k., → nur Za c) Außenrad Za und Innenrad Z, je 180° geteilt → Ausgleich bei UT→UT → Drehrichtungsumkehr d) Planetengetriebe P an Planetenrad, Za fest/Ausgleichsrad 1/2ΔP UT→UT', Zj= Kurbelwellenrad Zp Planetenrad
4. Klemmung (z.B. magnetisch) S der H-Bewegung in PZ ohne Zahnräder
4.1 → keine Höhenbewegung OT→OT', aber Drehbewegung von P um ß.
4.2 OT'→OT → dann Freigabe der Klemmung S (=Stop), Hub H ausführen bis UT. 4.3 UT→UT' →Klemmung "Ein", P schwingt um ß zurück und HZ3 stellt sich frei ein, weil Länge H von P fest. 4.4 UT'→OT → -H Bewegung wie bei 4.2
4.4 Prinzip D = Ausgleichs-Kurvenscheibe ortefest (Fig. 195) Konstruktion mit 1 Variator-Pleuel für K1 und K2 mit seperatem Hubteiler mit 1/2
H K1 und 1/2 H K2.
Die Kurvenscheibe KS ist eine ortsfeste KS mit Außen- und Innen KS, in deren Führungsbahn mit Soll-Bogen sich eine Kurvenrolle als variabler HZ1 - gekoppelt über einen schwingenden Ausleger verbunden mit dem Hubzapfen
HZ der KW - mit dem mit HZ1 gekoppelten Pleuel P - so bewegt, dass sich die Pleuellängen-Variation - relativ zur Kurbelwellen-Position - auf dem Soll-Bogen ergibt. Auf der Innen-KS sind scharfe Wendepunkte vorhanden, die durch einen
Materialauftrag auf der Innenbahn mit der Dicke d zu einem zur Außenbahn äquidistanten Krümmungsradius umgeformt werden kann, so dass sich eine weniger nichtlineare Abrollung und Verschleiß ergeben. Der Radius der Kurvenrolle ergibt die äquidistanten Führungsbahnen mit entsprechender Beschleunigungsfunktion.
Erweiterte Erfindungs-Anwendung des Pleuellängen-Variators auf Hubkolben-Verbrennungs- Maschinen, Kompressoren, Pumpen und andere Kraft-Drehmoment-Wandler
1. Klassische Hubkolben-Maschinen
Klassische Hubkolben-Motoren arbeiten mit 4 Takten: Ansaugen - Verdichten - Verbrennen - Ausstoßen. Hierbei werden seit Beginn der Motoren-Entwicklung im klassischen Hubkolben-Motor keine neuen kinematisch Prinzipien angewendet (außer
Kreiskolben-Motor). Ergänzt wurde das Motorprinzip durch Turbolader / Kompressor, Luftkühler, Intercooler, Ventilsteuerung und Hubsteuerung zur Verdichtungsanpassung gemäß Momentanbetriebszustand der Maschine. b) Die 8-Ta t-Maschine mit Pleuellängen-Variator: 8-Takt- Motor / Kompressor / Pumpe
Leistungserhöhung / Verbrauchsreduktion Faktor ca. 4-8 Vorteile gegenüber klasssischem Hubkolben-Motor: ca. 4-faches Drehmoment / Leistung oder entsprechende Reduktion des Verbrauchs gegenüber einer vergleichbaren klassischen Hubkolben-Maschine.
2.1 Neues kinematisches Prinzip
Der 8-Takt-Motor / Kompressor / Pumpe arbeitet erfindungsgemäß nach dem neuen kinematischen Prinzip, dem Pleuellängen-Variator, das beim
Hubkolben-Verbrennungsmotor (Benzin, Diesel, Gas) sowohl das Drehmoment wie auch die Leistung um den Faktor ca. 4 erhöhen kann.
2.2 Erhöhung der thermischen Wirkung 2.2.1 Thermischer Wirkungsgrad
Hinzu kommt mit dieser neuen Konstruktion auch die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades durch je 2 weitere Abkühlphasen beim Ansaugen/Verdichten und Ausstoßen. Nebeneffekt: die thermische Belastung nach dem Verbrennen ist geringer.
2.2.2 Bessere Gemischbildung
Desweiteren ist eine wesentlich bessere Gemischbildung automatisch in den zusätzlichen Takten aufgrund einer neuartigen zeitlichen Steuerung des gesamten Arbeitsprozesses vorhanden, was ebenso zur Leistungserhöhung führt.
2.2.3 Bessere Verbrennung
Die Kinematik des Pleuellängen-Variators erlaubt weiterhin eine bessere Verbrennung ohne Entspannung des Gases im Arbeitstakt, was ebenso zur Erhöhung der Leistung führt.
2.2.4 Weitere Effekte und vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Erfindung des Pleuellängen-Variators erlaubt auch a) mehr Leistung auf kleinerem Raum mit vollständigem Massenausgleich (Schwingungsarm). Zuzüglich wirkt auch b) beim Leerhub ein Arbeitstakt und c) die zulässige Höchstdrehzahl ist größer (wegen anderer Frühzündungs-Regelung). Auch ist d) die Füllung höher, wenn ein Lader mit dem Pleuellängen-Variator und 8-Takt-Prinzip verwendet wird.
3. Ergebnis der Erfindung
Sowohl die ökonomischen wie auch die ökologischen Auswirkungen sind für den Verbraucher beträchtlich - Leistungserhöhung oder Verbrauchsreduktion um den Faktor ca. 4-8 gegenüber heutigen Verbrennungsmotoren. Dies ist volkswirtschaftlich wie auch beim Treibhauseffekt (Cθ2-Ausstoß) von zusätzlicher Bedeutung.
Diese neuen Pleuellängen-Variator-Prinzipien lassen sich für Motoren, Kompressoren, Pumpen und andere Kraft-Drehmoment-Wandlern anwenden. E. Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung Ein erfindungsgemäßer Pleuellängen-Variator weist verschiedene Vorteile auf. Die Folge der Erfindung des PV ist, daß die Kraft und Arbeit (W=JF-s) bei SOK/V Einleitung ein wesentlich größeres Drehmoment ergibt (M=F-r) und damit auch die Leistung (P=M ω) der Maschine analog erhöht. Es geht um die Umsetzung der Arbeit, d.h. der Weg s (Hub h) muß erhalten bleiben, wodurch der Hubzapfen einen Radius r=s (statt klassisch r=s-0,5) haben muß, denn es wird beim PV nur 1/2 der Strecke OT-UT, bedingt durch die Einleitung bei 90° (OT') KW, genutzt. Wenn also die Arbeit im p, V-Diagramm (W=JF s) gleich bleibt, aber die Umsetzung über den Kraft-Drehmoment-Wandler mit integriertem PV ein größeres Drehmoment ergibt, so ist die Effizienz der Arbeits- bzw. Energieumsetzung entsprechend dem Wandlungsverhältnisses erheblich größer als in der klassischen Kurbelwelle. Die Konstruktion des Pleuellängen-Variators ist so gewählt, dass auch der negative Hub (-h) bei UT mit einer Schub-Kraft belegt werden kann (Kraft: +F bei +h = 90° bis 180° KW und -F bei -h = 180° bis 270° KW). Bewegungszeit und kinetische Energie des FM bei Pleuellängen-Variator Die Verlagerung des OT nach OT' bei φ' bewirkt zusätzlich, dass in dieser Anpassungszeit des Pleuels (Pleuelverkürzung ab φ 270 ° bis 90 ° KW) durch den Pleuellängen-Variator, der PM-Kolben in der Position OT ruht, bis die Kurbelschleife bei φ' (max. 90° KW) angekommen ist. In dieser Ruhezeit kann der FM transversal wesentlich langsamer als bei der Bewegung in der normalen Kurbelschleife bei OT herausgefahren/hineingefahren werden (in "AUF'-Stellung oder umgekehrt in "ZU"-Stellung), womit viel kinetische Energie, wegen der geringeren Beschleunigung Verzögerung beim FM, eingespart wird. Diese Verweil-Zeit beginnt schon bei KW φ=0°, da die PM-Kolben ruhen und die KW sich in dieser Zeit bis KW φ=90° weiterdreht und der Pleuel dabei um ΔPi verlängert wird. Bei Verwendung der stationären FM kann die Schaltzeit erheblich verlängert werden - bei klassischer Kurbelschleife bewegt sich der Kolben schon von OT nach Unten, obwohl die maximale Kraft noch nicht erreicht ist. Folgende Pleuellängen-Variator-Varianten sind Erfindungsanspruch: Prinzip A: Höhenfunktion MKZ und ΔVHZ relativ zur KW-Achse Prinzip B: Höhenfunktion ΔVHZ relativ zur KW-HZ-Achse Prinzip C: Ausgleichsgetriebe Prinzip D: Ausgleichs-Kurvenscheibe ortsfest Der Pleuellängen-Variator läßt sich auch in Hubkolben- Verbrennungsmaschinen und anderen Maschinen, in denen die Translation effizient in Rotation gewandelt werden soll, einsetzen: Als effizienter Kraft-Dreh- moment-Wandler. 5. Magneto-elektrische Feldkraft-Masc me (FKM)
Die FKM Systemkonfiguration stellt die beiden zuvor genannten FKM- Sub-Systeme und Wirkprinzipien Feldkraft-Generator ggf. mit Halbleiter Feldmodulator und Feldkraft-Motor ggf. mit Pleuellängen-Variator-Prinzip in einen miteinander abgestimmten Funktionszusammenhang, so dass ein komplett neuartiges Antriebsaggregat gegeben ist: die Erfindung der Feldkraftmaschine.
Wirkprinzip 1. Feldkraft-Generator (FKG)
Wie in den vorangegangenen Beschreibungen dargelegt, erzeugt die Feldkraftmaschine als Feldkraft-Generator FKG über magnetische (Magnet) oder elektrische (Elektret) Gleichgewichts-Ungleichgewichts-Gleichgewichts- Zustände mit einem Feldmodulator zuerst mechanische Energie (Kraft bzw. Drehmoment), welche dann zur Erzeugung von Primärstrom genutzt werden kann (oszillierende Wanderwellen-Linearmaschine, Drehstrom-Maschine etc.). Die FKG-Solid-state-Lösung benötigt keine beweglichen Teile und kann direkt auf induktivem Weg Primärstrom erzeugen, wenn der stationäre FM "AUF" und "ZU" geschaltet wird → Erzeugung des Stroms durch Induktion aus sich zeitlich schnell - durch den FM-Schaltvorgang - veränderndem Magnetfeld (stationärer
Feldmodulator, FM-Typen → FM-Systematik; M-Halbleiter-FM ) (Fig. 196).
2. Feldkraft-Motor (FKE)
Der Feldkraft-Motor benötigt äußere elektrische Primärenergie, die mit Verstärkern im Magneser bzw. Elektreser vervielfacht wird.
Dieser Verstärkungseffekt ist enorm, so dass eine neue hochdynamisch elektrische Maschine, die - aufgrund des Riesenimpulses - eine große Kraft oder ein großes Drehmoment abgibt, erfindungsgemäß gegeben ist. Feldkraftmaschinen-System
Durch geeignete Kopplung von Feldkraft-Generator mit Feldkraft-Motor entsteht ein neues autonomes Antriebssystem: Die Feldkraftmaschine als neue Energiequelle bzw. Antriebssystem (Fig. 197).
Bezügszeichen. Symbole für Feidkraftmaschmen
1. FKM-Systeme
FKM Feldkraftmaschine Wirkung durch 2 Permanent-Magnete oder 2 Permanent-Elektrete und durch einen Feldmodulator
FKG Feldkraft-Generator
M-FKM Magnetische Feldkraftmaschine (Basis PM)
E-FKM Elektrische Feldkraftmaschine (Basis PE) WKM Wärmekraftmaschine
FM Feldmodulator
PM Permanent-Magnet (magnetisch harter ferro-/ferrimagnetischer Stoff)
PE Permanent-Elektret (elektrisch harter ferro-/ferrielektrischer Stoff) PS Permanent-Supraleiter-Magnet
FB Feldbatterie (multiple Anordnung von Elementar-Magneten / -Elektreten (Knopfzelle) in x-y-Matrix und z-Kaskade
M-FB Magneto-Feldbatterie
E-FB Elektro-Feldbatterie FS Flußleitstücke
FP Flußplatte
PS Polschuh
EG Elektro-Generator
EB Elektro-Batterie MB Magneto-Batterie
FKE Feldkraft-Motor
M-FKE Magneto Feldkraft-Motor
E-FKE Elektro Feldkraft-Motor
FQT Feldquanten-Transistor ET Elektronen-Transistor
SL Supraleiter
SM Supraleiter-Magnet
2. FKM-Parameter I Strom
F Kraft
M Drehmoment
A Polfläche
B magnetische Induktion (magnetische Flußdichte) H magnetische Feldstärke
J magnetische Polarisation (Beitrag der Materie zur Flußdichte) μo Permeabilitätskonstante (magnetische Feldkonstante) μr Permeabilitätszahl μ Permeabilität d Luftspaltlänge s FM-Dicke
Tc Curie-Temperatur
OT oberer Totpunkt Kurbelwelle
UT unterer Totpunkt Kurbelwelle KW Kurbelwelle φ Kurbelwellenwinkel h Hub
Bezugszeichen, Symbole für Pleuellängen-Variatoren
Elemente
KW Kurbelwelle
WZ Wellenzapfen HZ Hubzapfen
K1 Kolben 1
K2 Kolben 2
PZ Pleuelzapfen OKZ Oberer Kolbenzapfen
MKZ Mittlerer Kolbenzapfen
UKZ Unterer Kolbenzapfen
P Pleuel
Pi Oberes Pleuel P2 Unteres Pleuel
VW Variatorwelle
P1 -K1 (I) Pleuel P1 von Kolben 1 , Seite 1
P2-K1 (I) Pleuel P1 von Kolben 1 , Seite 1
P1-K2(l) Pleuel P1 von Kolben 2, Seite 1 P2-K2(l) Pleuel P1 von Kolben 2, Seite 1
P1-K1(ll) Pleuel P1 von Kolben 1, Seite 2
P2-K1 (II) Pleuel P1 von Kolben 1 , Seite 2
P1-K2(ll) Pleuel P1 von Kolben 2, Seite 2
P2-K2(ll) Pleuel P1 von Kolben 2, Seite 2
KS Kurvenscheibe
NS Nockenscheibe
NS-K Nockenscheibe Kolben
NS-FM Nockenscheibe Feldmodulator NR Nockenrolle
S Stößel
S-K1(l) Stößel K1 Seite l
S-K2(l) Stößel K2 Seite l
S-K1(ll) Stößel K1 Seite II S-K2(II) Stößel K2 Seite II
S-FM(I) Stößel Feldmodulator Seite I
S-FM(II) Stößel Feldmodulator Seite II
K1-V(l) Kolben 1, ΔPi-Längen-Variator, Seite I K2-V(l) Kolben 2, ΔPi-Längen-Variator, Seite I
VWZ Variatorzapfen
VHZ Variator-Hubzapfen
VPZ Variator-Pleuelzapfen Parameter
CL-V Centerline Pleuellängen-Variator
CL-KW Centerline Kurbelwelle
ΔPi Pleuel-Längendifferenz
ΔPrK1(l) Differenz Pleuellänge Kolben 1 , Seite I
ΔPι-K2(l) Differenz Pleuellänge Kolben 2, Seite I φ Kurbelwelienwinkel
Δφ asymmetrische HZ-Differenz ΔPi ≠ H bei φ=270° KW
OT Oberer Totpunkt bei φ=0° KW
OT' Oberer Totpunkt bei φ=90° KW
OTi' Oberer Totpunkt K1 bei φ=90° KW, symmetrische Konstruktion bei ΔP^H
OTi' OT für K1 bei φ=90°-Δφ für K1 , asymmetrische Konstruktion bei ΔPι=H
UT Unterer Totpunkt bei φ=180° KW
UT' Unterer Totpunkt bei φ=270° KW
UTV UT für K1 bei φ=270°+Δφ für K1, asymmetrisch, weil H≠ΔPi (→ΔPι=H, dann symmetrisch)
UTi' UT für K1 bei φ=270°+Δφ für K1 , symmetrische Konstruktion bei H=ΔPι
H Hub
Rv Radius VW-MKZ = 1/2ΔP! (=1/2Rκw)
RKW Radius KW-HZ
+F Kraft bei +H
-F Kraft bei -H
V Niveau
Bezugszeichen, Symbole für Konstruktion Pleueüängen-Variation und Hub
Ausgangs-Daten
0FB Durchmesser Feldbatterie = Magnet
Heff Hub effektiv H/D Hubverhältnis Hub H zu Bohrung D (Kurzhuber 0,9...0,7 - Langhuber >-1 → 1,1...1,3) RKW Radius KW-HZ
P2 =λ-Rκw λ =l/r; r=Kurbelradius, l=Pleuelstangenlänge, variables λ=3,0-4,5 (→Vogel Fachbuch, Die Meisterprüfung im KfZ-Handwerk) Pleuel-Dreieck PZ-HZ- Kvv W Mitte Kurbelwelle a =Rκw b Differenz Mκw-PZ bei φ=90° KW bei (OT ) c Pleuellänge P2=λ-Rκw
Verlängerung Verkürzung Pi um ΔPi
ΔRKW =c-b
ΔPT =R w+ΔRκw
Hub
H = RKW- ΔRKW
H« =1/2H Hub bei zwei gegenläufigen Kolben, je Kolben / von Mitte FB
ΔH Höhendifferenz bei -Δφ
ΔH Höhendifferenz bei +Δφ
Hub/Bohrung
H/D Grenzgeschwindigkeit vmax Grenzgeschwindigkeit =H f (Vmax = 16 m/s bei Kurzhuber mit H/D=0,9-0,7) f Frequenz n Drehzahl
Prinzipien A, B, C, D des Pleuellängen-Variators
Prinzip A: Höhenfunktion MKZ u. VHZ relativ zur KW-Achse
RNS Radius Nockenscheibe
ΔMKZ Höhen-Funktion (Niveau VMKZ)
ΔVHZ Höhen-Funktion Variator-Hubzapfen (Niveau WHZ)
ΔR-NS Funktion Radiusänderung Nockenscheibe (Rollkurve)
RNR Radius Nockenrolle s Dicke Feldmodulator d Luftspalt
Prinzip B: Höhenfunktion ΔVHZ relativ zur KE-HZ-Achse keine neuen Elemente und Parameter
Prinzip C: Ausgleichsgetriebe Elemente
A Ausleger, starr
HZ Ursprungs-KW-Hubzapfen bei φ-0° HZi Konstuktions-HZ, Schnittpunkt Rp mit R
HZ2 neuer KW-Hubzapfen am Ausleger A
HZ3 rotierender Hubzapfen mit Pleuel verbunden → Bewegung auf Sollbogen durch Abrollen des Zahnrades Zp auf Za P Pleuel VP Variator-Pleuel
PZ Pleuelzapfen
PZ' Pleuelzapfen bei UT
--a Außenzahnrad
Zi Innenzahnrad (Kurbelwellenrad)
ZP Planeten-Zahnrad
E Exzenter
Parameter
Bi HZ-lst-Bogen
B2 HZ-Soll-Bogen
B3 HZ3-lst-Bogen
B4 HZ3-Soll-Bogen
ΔP Pleuellängen-Variation i Übersetzungsverhältnis
VPα Drehwinkel Variator-Pleuel mit HZ3 ß Pleuel-Winkel zwischen neuer Position VOT φ=0° und VOT' φ=90 °
Y Winkel des Variator-Pleuel =45° bei φ= -45°, +45°, +135°, 225°
<PHZ KW-Winkel des HZ
RP Radius Pleuelbogen = c
R'KW MKW ZU Schnittpunkt Radius Rp mit Parallele a zur Centerline a = Radius RKW. Position HZ3 = Schnittpunkt R'KW mit RP
b berechnen:
Figure imgf000153_0001
c = RP d = Rκw+b-c g = Rκw+b e Exzentrizität
S Klemmung (Stop)
Prinzip D: Ausgleichs-Kurvenbscheibe ortsfest
A Ausleger mit Gelenk in HZ
KS ortsfeste Kurvenscheibe
KR Kurvenrolle
WP Wendepunkt auf innerer Kurve d Materialauftrag zur Ausbildung eines Radius am Wendepunkt
Bi HZi-Soll-Bogen (obere Bahn +H)
B2 HZi-Soll-Bogen (untere Bahn -H) Ausgewählte Literatur
Literatur Feldkraftmaschine
1. Gerthsen Physik, D. Meschede, A21 , Berlin; Heidelberg; New York: Springer, 2002
2. R. Boll, Weichmagnetische Werkstoffe, A4, Berlin; München: Siemens-Aktiengesellschaft [Abt. Verl.], 1990
3. Bergmann Schaefer, Band 2, Elektromagnetismus, W. Raith, A8, Berlin; New York: de Gruyter, 1999 4. E. Hering, R. Martin, M. Strohrer, Physik für Ingenieure, A8, Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Tokyo: Spinger, 2002 5. D. Spickermann, Werkstoffe der Elektrotechnik und Elektronik, Weil der Stadt: J. Schlembach, 2002 6. Fachkunde Elektrotechnik, Europa Lehrmittel, A23, 42781 Haan-Gruiten: Verlag Europa Lehrmittel, 2002
7. Tabellenbuch Elektrotechnik, Europa Lehrmittel, A18, 42781 Haan-Gruiten: Verlag Europa Lehrmittel, 2001
8. Brechmann, ... , Elektrotechnik-Tabellen, Westermann-Verlag 9. Stöcker, Taschenbuch der Physik
10. dtv-Atlas Physik, Band 1
11. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, A24 Braunschweig/Wiesbaden: Friedr. Vieweg & Sohn, April 2002
12. H. Lindner, H. Bauer, C. Lehmann, Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik, A7, Fachbuchverlag Leipzig, München; Wien 1999
13. K. Schwister u.a„ Taschenbuch der Chemie, A2, Fachbuchverlag Leipzig, München; Wien 1999
14. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik, A27, Verlag Europa Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001 15. Braun, E. , Elektromagnete. In: Kohlrausch, F.: Praktische Physik, Bd.2, 23A, Stg. B.G. Teubner 1985 (→Polschuhe, Bitterspulen)
Literatur Beispiel Feldkraftmaschine 1. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik, Europa Lehrmittel (1-571): Generatoren, Drehstromgenerator, Klauenpolläufer 1600W, 14V, 120A, beachte Verlustwärme (1-253): Schwingungsdämpfer für Kurbelwelle (1-255 Zweimassenschwungrad 2. Jörg Hoffmann, Taschenbuch der Messtechnik, A3 (2-233): Messen von Kräften (2-235): Induktive, kapazitive und DMS-Kraftmessaufnehmer Prinzip der Kraftmessung mit Federkörper. Aus der Verformung, die über Weg- oder Dehnungsmessaufnehmer erfasst wir, kann die einwirkende Kraft ermittelt werden.
3. Vieweg, Handbuch Kraftfahrzeugtechnik (3-111): Lithium-Batterien (1-106): Elektroantriebe, umrichtergespeister Asynchronmotor (3-107): Drehstrommotor: Synchron-Permanentmotor mit hoher Polzahl und höchstem Wirkungsgrad, nm8X 15.000 1/min
(3-133): Kurbeltrieb, Pleuelstangenverhältnis
(3-180-181): Hubkolbentrieb mit variabler Verdichtung (Hub)

Claims

PatentansprücheErster unabhängiger Patentanspruch:Feldkraftmaschine bestehend aus Feidkraftgenerator (FKG)
1. Feldkraftmaschine (FKM), bestehend aus einem oder zwei Kraftfeldkreisen als ein Raum in dem sich ein Feld in seiner Gesamtheit ausbreitet, alternativ mit magnetischen oder elektrischen oder thermischen oder gravitativen Potentialfeld oder Wirbelfeld oder Dipolfeld erzeugenden Feldbatterie(n) (FB) in antiparalleler (abstoßendes Kraftfeld) oder paralleler (anziehendes Kraftfeld) Polorientierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldkraftmaschine (FKM) als ein Feidkraftgenerator (FKG), aus kinematischem oder stationärem Feldmodulator (FM), der sich zwischen den Feldbatterie(n) (FB) befindet, besteht. Der Feldmodulator (FM) moduliert den Feldfluß/-strom (Φ) und die FeldspannungAdurchflutung (Θ) als Wirkung eines Feld-Kondensators zwischen abstoßender(n) Feldbatterie(n) (FB) und anziehendem Feldmodulator (FM) oder anziehender(n) Feldbatterie(n) (FB) mit abstoßendem Feldmodulator (FM). Die Feldmodulation erfolgt ganz oder teilweise von Fluß leitend nach Fluß nichtleitend durch Kapazitätsvariation. Die Zuführung der Feldmodulator-Arbeit Wzu moduliert durch Schalten und/oder Verstärken deshalb die Feldkraft (abstoßend oder anziehend) in den Arbeitstakten der Feldkraftmaschine, oszillierend zwischen Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Zustand. Deshalb entsteht im Nichtgleichgewichts-Zustand der Feldbatterie(n) (FB) mit Stellung Feldmodulator (FM) "Auf aus der Feldkraft F und dem Arbeitsweg Wi (= Arbeitshub h) zwischen der OT- und UT-Position die Arbeit Wab, während die Feldbatterten (FB) im Leerhubweg W2 im Gleichgewichtszustand ohne Gegenkraft zurück bewegt werden. Die Kraft kann über einen Kraft-Drehmoment-Wandler, vorzugsweise ein Pleuellängen-Variator (PLV), in ein Drehmoment M bzw. Leistung P gewandelt werden. Die Arbeit der Feldkraftmaschine (FKM), Typ Feidkraftgenerator (FKG), läuft in 4 Takten in einem irreversiblen Kreisprozeß (p.V-Diagramm) ab. Auch kann der Feidkraftgenerator, als eine Solid-State-Anordnung - ohne bewegte Teile - mit einer Feldbatterie (FB) und zwei Feldmoduiatoren (FM), angeordnet in einem Kraftfeldkreis mit Induktionsspule, zur elektrischen Energieauskopplung, hergestellt werden. Durch die Modulierung des Feldes im Solid-state-Feldkraftkreis mit dem Feldmodulator (FM), entsteht ein zeitlich sich änderndes Feld und damit in der im Feldkraftkreis integrierten Spule durch Induktion elektrische Energie.
FKG-Prinzip 2. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feidkraftgenerator (FKG) als Links- oder Rechtskreisprozess- Maschine betrieben werden kann.
3. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das System Feldbatterie-Feldmodulator-Feldbatterie (FB-FM-FB) als Kondensator für die Steuerung/Verstärkung/Abschwächung/Speicherung von Feldern wirkt, vorzugsweise werden magnetische oder elektrische Felder verwendet. Möglich sind auch aber auch thermische Felder mit Thermokraft oder gravitatives Felder mit Graviatationskraft
4. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldmodulator (FM) im magnetischen Kondensator-Feld als Dimagnetikum oder Diamagnetikum, im elektrischen Kondensator-Feld als Dielektrikum oder Diaelektrikum, im thermischen Kondensator-Feld als Dithermikum oder Diathermikum und im gravitativen Kondensator-Feld als Digravitum oder Diagravitum, wirkt.
5. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein bezüglich der Kraftfelder umgekehrt wirkendes Kondensator-System als ein Anti-Kondensator-Prinzip verwendet wird.
6. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ferro-/Ferrimagnetische oder Ferro-/Ferrielektrische Feld-Kondensatoren als feste flüssige konstante oder einstellbare Bauelemente, analog zu elektronischen Kondensator-Bauelementen, je nach Höhe der Permeabilität bzw. Permittivität, wirken.
7. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der kinematische Feldmodulator (FM) und/oder Polschuh (PS) entweder im Potentialfeld parallel zu den Feldlinien der Feldbatterie(h) (FB) oder senkrecht zu den Feldlinien auf einer Äquipotentialfläche transversal bewegt werden kann, wobei ein simultanes oder serielles Gleichgewicht der transversalen Arbeit W2U durch Kompensation der transversalen statischen und/oder dynamischen Feldkräfte erreicht wird.
8. Feidkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der kinematische Feldmodulator (FM) in passiver oder aktiver Version gestaltet werden kann, wobei die aktive Version ein in der Normal- und/oder Transversalrichtung dynamisch in der Verstärkungswirkung regelbare oder bistabil schaltbare Hilfsfelder nutzt, damit die Fetdkräfte eines passiven Feldmodulators (FM) und/oder die Kompensation von frequenzabhängigen Wirbelstromkräften mit der Überlagerung durch die Hilfsfelder verstärkt oder abgeschwächt werden können.
9. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Feldbatterie(n) (FB) als erstes FB-Antriebssatz-Kolben-Paar (K1), in Takt 4 im Gleichgewichts-Zustand bei geschlossenem Feldmodulator (FM),in die Ausgangsposition zurückgeführt werden durch eine Felder oder durch eine Kurbelwelle mit Pleuellängen-Variator (PV) und Schwungscheibe oder durch eine Kugelumlaufspindel mit Feder und Freilaufkupplung, oder durch Schubstangen mit Freilaufkupplung, oder durch ein im Arbeitstakt 2 auf der Kurbelwelle (KW) um 180° KW versetztes zweites FB-Antriebssatz-Kolben-Paar (K2), oder durch andere Rückführungssysteme.
Feldbatterien (FB)
10. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Feldbatterie(n) (FB) zur Erzeugung einer hohen Feldkraft z.B. in einer 3D-Sandwich-Konstruktion im x-y-z-Netz (d.h. durch Aneinanderreihung vieler Zellen mit Zeilen und Spalten zu einer oder mehreren Gruppen in einer Matrix und danach mit Schichtenaufbau in z-Richtung) oder bei runden Zellen-Feldbatterien (FB) im Dreiecksnetz und Schichtenaufbau in z-Richtung angeordnet ist (sind).
11. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Feldbatterie(n) (FB) vorzugsweise bei magnetischem Feld aus Permanent-Magnet(en) (PM), hergestellt aus Ferro-/Ferimagnetika, oder Supraleiter-Magnet(en) (SM) oder bei elektrischem Feld aus Permanent-Elektret(en) (PE), hergestellt aus Ferro-/Ferrielektrika, besteht (bestehen).
12. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Permanent-Magnete (PM) oder Permanent-Elektrete (PE) zur Reduktion der kinetischen Energie in ihrem Haftkraft-zu-Eigengewicht Verhältnis unter Repulsionsbedingung so optimiert werden, daß keine Entmagnetisierung bzw. Entelektrisierung bei Luftspaltenfluß/Scherung und bei vorgegebener Arbeitstemperatur T stattfinden kann.
13. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die in Normairichtung wirkende Kraft-Weg-Kennlinie der Permanent-Magnete(PM), Supraleiter-Magnete (SM) oder Permanent-Elektrete (PE) in ihrem Profil durch spezielles Feld-Design (Polformgebung, Konvergenzzentrums-Vorverlagerung mit Korπorientierung bei Magnetisierung/Elektrisierung, Polstrukturierung, Konus- und Tauchsystem),gestaltet werden kann, um eine bestimmte Kraft- und Drehmomententfaltung und/oder Hubvergrößerung zu erreichen.
Feldmodulator (FM)
14. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Feldmodulator (FM) zur Modulation der Feldwirkung zwischen den Feldbatterie(n) (FB) und dem Feldmodulator (FM), d.h. dem Feld-Kondensator, von den Zuständen Gleichgewicht - Nichtgleichgewicht - Gleichgewicht, als Inline-Feldmodulator innerhalb oder als Outline-Feldmodulator außerhalb der Stoffgrenzen und Pole der Feldbatterien (FB) positioniert sein kann.
15. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldmodulator (FM) durch Leitfähigkeits-Modulation und/oder Kanalquerschnitts-Modulation mit einem Feld quer zur Flußrichtung des Kraftfeldes der Feldbatterie(n) (FB) den Feidfluß bzw. die Feldspannung und damit das Gleichgewicht/Nichtgleichgewicht steuert.
16. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Feidmodulator (FM) und/oder Polschuh (PS) aus isotropen und/oder anisotropen atomar/molekular und/oder mikroskopisch/makroskopisch parallel oder senkrecht zur Feldrichtung orientierten Schichten mit Berücksichtigung der Formanisotropie aufgebaut ist und in technisch vorgegebenen Richtungen aus differenziell und funktional verschiedenem Feld leitendem, Feld nicht leitendem oder Feld halbleitendem, Stoff besteht.
17. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitfähigkeits-Flußdichte-Feldmodulator (FM) mit gegebener Leitfähigkeits-Flußdichte-Kennline eines in der Hystereseschleifenform weichen Werkstoffs durch örtlich wirksame Flußdichteänderung von maximaler Stoff-Leitfähigkeit am Arbeitspunkt (A3) über andere flußdichteabhängige Leitfähigkeits-Wirkungspunkte den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) von leitend nach nicht leitend moduliert.
18. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Flußdichte-Feldstärke-Feldmodulator (FM) mit gegebener Flußdichte-Feldstärke-Kennline eines in der Hysteresschleifenform weichen Werkstoffs durch örtlich wirksame Feldstärkeänderung von maximaler Stoff-Leitfähigkeit am Arbeitspunkt (A3) über andere feldstärkeabhängige Leitfähigkeits-Wirkungspunkte den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) von leitend nach nicht leitend moduliert.
19. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Flußdichte-Temperatur-Feldmodulator (FM) mit gegebener Flußdichte-Temperatur-Kennline eines in der Hysteresschleifenform weichen Werkstoffs durch örtlich wirksame Temperaturänderung von maximaler Stoff-Leitfähigkeit am Arbeitspunkt (A3) über andere temperaturabhängige Leitfähigkeits-Wirkungspunkte den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) von leitend nach nicht leitend moduliert.
20. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Anisotropie-Feldmodulator (FM) mit gegebener Leitfähigkeit-Richtung- Kennline eines kristallinen, in der Hysteresschleifenform weichen Werkstoffs durch örtlich wirksame Richtungsänderung der Feld-Vorzugsrichtung der Kristalle von maximaler Stoff-Leitfähigkeit am Arbeitspunkt (A3) über andere richtungsabhängige Leitfähigkeits- Wirkungspunkte den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) von leitend nach nicht leitend moduliert.
21. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Anisotropie-Feldmodulator (FM) mit gegebener Leitfähigkeit- Beanspruchung-Kennline eines in der Hystereseschleifenform weichen Werkstoffs durch örtlich wirksame mechanische Beanspruchungsänderung von maximaler Stoff-Leitfähigkeit am Arbeitspunkt (A3) über andere beanspruchungsabhängige Leitfähigkeits-Wirkungspunkte den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) von leitend nach nicht leitend moduliert.
22. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein permanenter Induktions-Feldmodulator (FM) mit gegebener Flußdichte-Feldstärke-Kennlinie eines in der Hystereseschleifenform harten Werkstoffs durch örtlich wirksame remanente Flußdichteänderung von maximaler remanenter Flußdichte über andere Flußdichte-Wirkungspunkte auf der Hysterese nach minimaler bzw. negativer remanenter Flußdichte den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) durch das remanente Feld vom Gleichgewicht zum Ungleichgewicht zwischen Feldbatterie(n) (FB) und dem aktiven Induktions-Feldmodulator (FM) variabel moduliert.
23. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Induktionsstrom-Feldmodulator (FM) mit gegebener elektrischer Leitfähigkeit-Induktion-Kennline eines elektrisch hochleitenden Werkstoffs durch Erzeugung von Wirbelströmen den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) durch die variabel induzierten Feldkräfte vom Gleichgewicht zum Ungleichgewicht zwischen Feldbatterie(n) (FB) und dem aktiven Induktionsstrom-Feldmodulator (FM) moduliert.
24. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Grenzfrequenz-Leitfähigkeits-Feldmodulator (FM) mit gegebener Leitfähigkeits-Grenzfrequenz-Kennline eines in der Hystereseschleifenform weichen Werkstoffs durch örtlich wirksame Grenzfrequenzänderung von maximaler Stoff-Leitfähigkeit am Arbeitspunkt (A3) über andere grenzfrequenzabhängige Leitfähigkeits-Wirkungspunkte den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) von leitend nach nicht leitend moduliert.
25. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Spinresonanz-Feldflußrichtung-Feldmodulator (FM) mit gegebener Spinresonanz-Feldflußrichtung-Kennline eines in der Hystereseschleifenform weichen Werkstoffs durch örtlich wirksame hochfrequent angeregte Spinrichtungsänderung von maximaler Stoff-Leitfähigkeit mit paralleler Spinstellung nach minimaler Leitfähigkeit mit antiparalleler Spinstellung umklappt, um den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) durch den Spin-Richtungs-Schalter von leitend nach nicht leitend zu modulieren.
26. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Atomabstand-Leitfähigkeits-Feldmodulator (FM) mit gegebener Atomabstand-Leitfähigkeits-Kennlinie eines in der Hystereseschleifenform weichen oder harten Werkstoffs durch örtlich wirksame geometrisch definierte Atomabstandsänderung von maximaler Stoff-Leitfähigkeit am Arbeitspunkt (A3) über andere atomabstandsabhängige Leitfähigkeits-Wirkungspunkte den Feldfluß der Feldbatterie(n) (FB) von leitend nach nicht leitend moduliert.
27. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tunneleffekt-Feldmodulator (FM) mit einer sehr dünnen magnetischen Feldmodulator-Isolierschicht (lm), einem Dimagnetikum, zwischen zwei magnetischen Supraleitern mit gegebener magnetischer Tunnelspannung-Leitfähigkeit-Kennlinie und örtlich wirksamer magnetischer Energielücke durch Anlegen einer magnetischen Tunnelspannung beschleunigte magnetische Flußquanten durch diese Feldmodulator-Isolierschicht (lm) hindurchtunneln läßt und damit den magnetischen Feldfluß der supraleitenden Feldbatterien (SM-FB) tunnelspannungsabhäng von leitend nach nichtleitend moduliert.
28. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetischer Supraleiter-Isolierschicht-Supraleiter-Kontakt (SmlmSm-Kontakt) vorliegt, wenn die beiden magnetischen Supraleiter aus demselben magnetisch leitenden Supraleiter bestehen und deshalb magnetische Flußquanten-Paare hindurchtunneln können.
29. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetischer Gleichstromeffekt (MGE) entsteht, wenn einem S l Sm- ontakt ein schwacher magnetischer Gleichstrom/-fluß aufgeprägt wird, sodaß unterhalb einer kritischen magnetischen . Strom-/Flußstärke, d.h. ohne magnetische Potentialdifferenz, magnetische Fluß-Paare als Spinmoment-Kopplungen durch die Im-Schicht tunneln und oberhalb der kritischen magnetischen Stron /Flußstärke der Feldfluß zwischen den Supraleiter-Magnet-Feldbatterien (SM-FB) gesperrt ist.
30. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetischer Wechselstromeffekt (MWE) durch eine quantenmechanische Interferenz entsteht, wenn mit Anlegen einer magnetischen Gleichspannung an den SmlmSm-Kontakt ein dieser magnetischen Gleichspannung proportional hochfrequenter magnetischer Wechselstrom aus Flußquanten entsteht, mit der Eigenschaft, daß dieses Prinzip auch bei umgekehrter Aufprägung funktioniert.
31. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Supraleiter-Feldmodulator (FM) als S lmSm-Kontakt mit dicker magnetischer Isolierschicht lm oder als SelsSe-Kontakt mit dicker elektrischer Isolierschicht ie, aufgebaut aus Supra-Leiter und/oder Supra-Nichtleiter und/oder Supra-Halbleiter, die Modulierung des Feldflußes bei Sprungtemperatur Tc oder zwischen Normaltemperatur T und Sprungtemperatur Tc ausführt.
32. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der beim Schalten des Feldmodulators (FM) entstehende Spalt zwischen den Feldbatterie(n) (FB) vorzugsweise durch einen oder zwei Polschuh(e) (PS) überbrückt wird, so dass der Kraft- bzw. der - Arbeitsverlust Wa in der Kraft-Weg-Kennlinie der Feldbatterie(n) (FB) minimiert wird.
33. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldmodulator (FM) und/oder die Polschuh(e) (PS) aus isotropen und/oder anisotropem Stoff bestehen und zur optimalen Feld-Leitung lamelliert sind, so daß der Feldfluß in den Lamellenblechen unter Ausnutzung einer starken Kristallanisotropie und/oder großen Formanisotropie bezüglich der Geometrie der Lamellenbleche vorzugsweise, je nach Richtung der Lamellenbleche, primär in die Normal- oder Transversalrichtung geleitet und dabei die Rückwirkung auf das/die Kraftfeld(er) der Feldbatterie(n) (FB) wegen der Kristall- und Formanisotropie minimiert wird.
Kompensation negativer Feldkräfte
34. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturkompensation zur Regelung des Gleichgewichts- Zustandes zwischen den Feldbatterien (FB) und dem Feldmodulator (FM) durch eine äußere Temperaturregelung der Feldkraftmaschine, z.B. durch "heat pipes" mit Peltier-Batterien etc., und/oder durch eine direkte Temperaturkompensation der Feldbatterien (FB) durch den Verlauf der Flußdichte-Temperatur-Kennlinie eines Kompensatorsystems und/oder durch eine Hubvariation mit Δh, die Anpassung des Arbeitspunktes des Systems Feldbatterie(n) (FB) und Feldmodulator (FM) bei Temperaturänderung vornimmt.
35. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß bei einem elektrisch leitenden Feldmodulator-Stoff ein mechanischer und/oder elektrischer und/oder magnetischer Anti-Wirbeistrom- Kompensator die im Feldmodulator (FM) frequenzabhängig induzierten und deshalb funktional negativ wirkenden Feldkräfte kompensiert oder praktisch beseitigt.
36. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 33 und 35, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Anti-Wirbelstrom-Kompensator aus parallel zur Feldmodulatorbewegung orientierten elektrisch gegenseitig isolierten dünnen Lamellenblechen mit senkrecht zur Feldmodulatorbewegung und zu den Wirbelströmen in die Lamellenbleche integrierten Schlitzen in Bezug zur Feldflußrichtung zwischen den Polen der Feldbatterien (FB) besteht, der alternativ aus gegenseitig elektrisch isolierter dichter weichmagnetischer Kugelpackung oder einer kubische MikroStruktur mit Umformung der Volumen-Wirbelströme in Teilchen-Wirbelströme bestehen kann.
37. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Anti-Wirbelstrom-Kompensator durch elektrische Ladungstrennung mit Entfernung der Elektronen aus dem Wirkungsraum der Felder der Feldbatterien (FB) dadurch entsteht, daß der Feldmodulator (FM) elektrisch isoliert und innerhalb eines elektrischen Feldes positioniert ist, sodaß durch elektrische Influenz ein mittlerer Bereich als neutrale Zone entsteht, der von den Magnetfeldern der Feldbatterien (FB) ohne Erzeugung von Wirbelströmen durchsetzt wird.
38. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die influenzierten Ladungsträger innerhalb zwei gegenüberliegend mit dem Feldmodulator (FM) fest verbundenen metallischen Trichtern mit Spitze konzentriert gesammelt und über eine elektrisch hoch leitfähige Schneide entlang der Oszillationsstrecke des Feldmodulators (FM) durch kontaktlose Überführung geerdet abgeleitet werden oder in einem Eneigiespeicher, z.B. Leidener Flasche oder Kondensator, gespeichert zur Verfügung stehen.
39. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß bei transversaler Bewegung des kinematischen Feldmodulators (FM) das inhomogene Feld der Feldbatterie(n) (FB) transversal in seinem Gradienten-Profil so gestaltet wird, daß die beiden Kraftvektoren der Lorentz-Kraft auf dem Kreisstrom, d.h. die bremsende Kraft an der Front und die beschleunigende Kraft am Ende des Feldmodulators (FM), gleich groß sind.
40. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 36 und 39, dadurch gekennzeichnet, daß im transversal inhomogenen Feld die transversale Zunahme der Materialbreite der Einzel-Stege in den Lamellenblechen so gestaltet wird, daß eine schmale Stegbreite an der Feldmodulator-Front mit kleiner bremsender Kraftkomponente stegweise in eine breite Stegbreite am Feldmodulator-Ende übergeht, die mit großer beschleunigender Kraftkomponente das Gleichgewicht zwischen den Kraftkomponenten herstellt.
41. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 36 und 39, dadurch gekennzeichnet, daß im transversal inhomogenen Feld das transversale Keilprofil bzw. die Funktion der Zunahme der Stegdicke der Einzel-Stege in den Lamellenblechen so gestaltet wird, daß die im Einzeisteg an der Vorderkante des Keilprofils bremsende Kraftkomponente viel kleiner ist als die beschleunigende Kraftkomponente am dicken Ende des Keilprofils, womit die vordere und die hintere Volumenstrom- Kraftkomponenten im Gleichgewicht stehen.
42. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 35 und 36, dadurch gekennzeichnet, daß im transversal inhomogenen Feld ein Lamellenblech und/oder die Stege des Lamellenblechs als Rechteck-Gradienten-Leiterschleife mit an Front und Ende verschiedenen Leiterquerschπitten und/oder spez. elekt. Widerstand ausgebildet sind und deshalb mit den zugehörigen Front- und End-Kraftkomponenten des induzierten Wirbelstromrings als Paar von Stromelementen mit entgegengesetzten Stromrichtungen das Gleichgewicht herstellen.
43. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 35 und 42, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Feldmodulator (FM) integrierter Anti-Lenz-Kraft- Kompensator aus einer zweiten Leiterschleife mit entgegengesetzt gerichteten unipolaren Strörnen aus positiven Ladungen und magnetischer Abschirmung zwischen den negativen und positiven Leiferschleifen besteht, so daß die Lenz-Kraft der negativen induzierten Ströme durch die der positiven kompensiert wird.
44. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 35 und 42, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Feldmodulator (FM) integrierter Anti-Lenz-Kraft- Kompensator aus einer Leiterschleife mit im Feld-Wirkungsbereich der Feldbatterie(n) (FB) parallelen Leitern mit gleichgerichteten Strömen besteht und deshalb die Schwächung des Feldes zwischen den gleichgerichteten Strömen die Rückwirkung des induzierten Magnetfeldes auf das Primärfeld der Feldbatterien (FB) mindert bzw. verhindert.
45. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 35 und 42, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Feldmodulator (FM) integrierter Anti-Lenz-Kraft- Kompensator aus einer magnetisch asymmetrisch richtungsabhängigen Abschirmung (Permeabilitäts-Tensor einseitig besetzt) oder aus einer Feld-Halbleiterdiode besteht, die zwischen Feldmodulator (FM) und Feldbatterie(n) (FB) positioniert ist, so daß eine Rückwirkung des induzierten Feldes am Arbeitspunkt des Abschirmungsstoffs unmöglich ist.
46. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 35 und 42, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Feldmodulator (FM) integrierter Anti-Lenz-Kraft- Kompensator aus einer bewegungsrichtungabhängigen Anti-Feld-Wirkung besteht, die durch magnetische Kompensation mit einem Dimagnetikum (anziehend) und/oder Diamagnetikum (abstoßend) das bewegungsrichtungsabhängige Gleichgewicht herstellt.
47. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 35 und 42, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Feldmodulator (FM) integrierter Anti-Lenz-Kraft- Kompensator aus einer Leiterschleife unter einem Winkel von 45° zur Flächennormale der Feldbatterie(n) (FB) besteht, die auf verschiedenen Potentialniveaus liegende Leiterschleifenäste mit unterschiedlichen Querschnittsflächen und/oder spez. elektr. Widerstand in den Front- und End-Leiterschleifenästen. besitzt und deshalb bei Auftreten eines induzierten Wirbelstromrings im inhomogenen Feld mit entgegengesetzt gerichteten schwach bremsenden Front- und stark beschleunigenden Endkraftvektoren die Lenzkraft durch Eigenkompensation verhindert.
48. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1, 35, 36, 37, 38, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ im Aπti-Lorentz-Kompensator des elektrisch leitenden Feldmodulators (FM) und/oder Pohlschuhs (PS) elektrische und magnetische Anti-Lorentz-Prinzipien so kombiniert werden, daß die auftretende elektrische Influenz und die magnetische Influenz gleichgerichtet (Fig. 40) oder gekreuzt orientiert (Fig. 41) ist.
49. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie eines tropfenförmigen Feld-Stromlinienkörpers so ausgebildet ist, daß der Feld-Druckabfall der Feldumströmung entlang des Feld-Stromlinienkörpers so langsam stattfindet, daß keine Feldwirbel auftreten können.
50. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 und 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie eines tropfenförmigen Feldkörperprofils so gekrümmt ist, daß eine konvexe und konkave Seite entsteht und deshalb bei einer Feldumströmung/Feldumfluß Φ eine Feld-Zirkulation um das Feldkörperprofil entsteht, die auf der konvexen Seite höhere Feld-Strömungsgeschwindigkeiten als auf der gegenüberliegenden konkaven Seite erzeugt mit der Folge, daß auf der konvexen Seite ein Feld-Überdruckgebiet und auf der konkaven Seite ein Feld-Unterdruckgebiet entsteht, so daß eine dynamische Feldkraft FA wirksam wird, die der Lorentz-Kraft F in Richtung konkave Seite entgegengerichtet ist, wenn die Feld-Zirkulationsrichtung der Feldumströmung/Feldumfluß im gleichen Sinne orientiert ist wie die Feld-Zirkulationsrichtung des induzierten Magnetfeldes, so daß mit entsprechender FA feldströmungstechnisch F kompensiert wird. Zeigt die konvexe Seite des Feldkörperprofils in Richtung FL, ist also die Feld-Zirkulation der Feldumströmung/Feldumfluß der Feld-Zirkulation des induzierten Magnetfeldes entgegengerichtet, so wird die abstoßende Lenz-Kraft des im Feldkörperprofil induzierten Magnetfeldes auf das Primärfeld der Feldbatterie(n) (FB) kompensiert. Vorgenannte Wirkprinzipien sind analog zu einem rotierenden elektrisch leitenden Zylinder technisch anzuwenden.
51. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die TransversalkrafV-arbeit beim kinematischen Feldmodulator (FM) und/oder Polschuh(e) (PS) in einem Transversal-Kompensator kompensiert wird, um ein Gleichgewicht der Kräfte F und/oder der Arbeit Wzu zu erhalten.
52. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 51 , dadurch gekennzeichnet, daß eine stationär-aktive Kompensation durch eine Spule mit am Arbeitspunkt A3 des Werkstoffs verstärkendem Kern als Longitudinalfeld- oder Transversalfeld-Spulen-Kompensator mit einer an die Transversal-Kraft-Weg-Kennlinie der Feldbatterie(n) (FB) genau angepaßten Transversal-Kraft-Weg-Kennlinie des Kompensators mit dynamischer, frequenzabhängiger Intensitäts-Steuerung, erfolgt.
53. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß eine stationär-passive Kompensation durch die Alternativen Mitbewegung des passiven Kompensators in longitudinaler Richtung unter Nutzung der Neutralen Zone (NZ - Fig. 46) oder U-Profil-Kompensation mit Rotation der Vorzugsrichtung der Feldlinien des passiven Kompensators um α=90° relativ zum Maschinen-Takt zur Richtung der Feldbatterien (FB) (Fig. 47, 48), erfolgt.
54. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 51 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation durch aktivierende/deaktivierende Stromimpulse auf bistabile Magnete (Schaltkerne) realisiert wird.
55. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 51 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation der Polschuhe (PS) in verschiedenen Takten durch Eigenkompensation relativ zum Maschinen-Takt erfolgt (Fig. 49), ggf. durch Kompensation der Longitudinalkraft der einzelnen Feldbatterie (FB) auf den einzelnen Polschuh (PS) durch Kompensationsmagnete (KM - Fig. 50).
56. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 51 , dadurch gekennzeichnet, daß die Transversalarbeit-Kompensation entweder im Potentialfeld durch serielle Kompensation parallel zu den Feldlinien (Fig. 51), oder simultane Kompensation unter α=45° zu den Feldlinien (Fig. 52), oder durch simultane Kompensation auf einer Äquipotentialfläche senkrecht zu den Feldlinien (Fig. 53), oder simultane Kompensation durch mechanische Kopplung zweier entgegengesetzt parallel zu den Feldlinien zu bewegende Feldmodulatoren (FM) (Fig. 54), oder simultane Kompensation durch mechanische Kopplung zweier entgegengesetzt senkrecht zu den Feldlinien zu bewegende Feldmodulatoren (FM) (Fig. 55) als Feldmodulator-Eigenkompensation erfolgt.
57. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 51 , dadurch gekennzeichnet, daß die Transversal-Kompensation mit Feldmodulator-Bewegung zweier symmetrischer Feldmodulatoren (FM - Fig. 56) mit jeweils einem Kompensatormagnet (KPM) parallel zu den Feldlinien oder alternativ mit einem Feldmodulator (FM) mit gekoppeltem Polschuh (PS - Fig. 57), mit den Varianten der verschiedenen Kompensatormagnet- Feldmodulator-Anschlüssen (KPM-FM - Fig. 58), erfolgt.
58. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 51 , dadurch gekennzeichnet, daß eine simultane Kompensation der Tangentialarbeit Wt durch Flach-Permanentmagnete (PM) mit versetzten Polschuhen, die als gekreuzte Kompensatormagnete (KPM! und KPM2) den Fluß je zur Hälfte leiten (Fig. 59), oder als ein Sandwich-Permanentmagnet-System mit halbierten und versetzten Polschuhen (PS - Fig. 60), die den Fluß konzentrieren und auf die Austritts-Fläche Ai am Norpol und Eintritts-Fläche A2 am Südpol leiten, erfolgt.
59. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 51 , dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise bei einer rechteckigen Feldbatterie (FB) mit magnetischer Vorzugsrichtung und stark asymmetrischer, d.h. nichtlinearer transversaler Kraft-Weg-Kennlinie parallel zu den Feldliπien/Vorzugsrichtung und transversaler Bewegung des Feldmodulators (FM) im Potentialfeld in der Richtung parallel zu den Feldlinien ein Kippschalter-Effekt eintritt, so daß das System Feldbatterien (FB) mit Feldmodulator (FM) als Kraftverstärker und nicht als Kompensator wirkt.
60. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 51 , dadurch.gekennzeichnet, daß ein Anti-Transversalkraft-Kompensator, als Inline-Kompensator mit differenzieller und funktionaler Verstärkung/Abschwächung der feldkraftbestimmenden Größen, entweder durch Variation der Feld-Aus- und -Eintrittstrittsfläche der Flußplatten (FP) (/(A) - Fig. 66.1 a, b), und/oder durch Variation der Amplitudenpermeabiiität (f(ßa) - Fig. 66.2) in den Flußplatten (FP), und/oder durch Variation der Feidstärkeamplitude bei der Magnetisierung des Permanentmagneten (PM) (/(Ha) - Fig. 63.3) mit der Folge einer transversalen Flußdichte-Funktion, die Funktion der Longitudinalkraft F| entlang der transversalen Richtung und damit im Kraftfeld auch die davon abhängige transversale Kraftkomponente Ft(FB) festlegt, um damit die Kompensation der auf den Feldmodulator (FM) bei seiner Bewegung wirkenden Transversalkraft Ft(FM) zur Herstellung eines Gleichgewichtes, als Eigenkompensation des Systems Feldbatterien (FB) mit Feldmodulator (FM), mit Anwendung der Feldmodulatorbewegung parallel odersenkrecht zur Feld-Vorzugsrichtung der Feldbatterien (FB), technisch umzusetzen.
61. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines anisotropen Magnetfeldes im Permanentmagneten eine U-förmig lange Zyiinderspule verwendet wird, die im Bereich der U-Umlenkungen abgeschirmt ist, so daß mit deren Wicklung in z-Richtung (Zylinderachse = Polachse S-N - Fig. 72.2) ein homogenes Feld, in x-Richtung eine magnetische Vorzugsrichtung und in y-Richtung, also senkrecht zur magnetischen Vorzugsrichtung, eine variable Feidstärkeamplitude (/(Ha) - Fig. 72.1) durch variable Wicklung und Leiterquerschnitte zur Gradienten-Magnetisierung realisiert werden kann, wobei zusätzlich, durch die Abwandlung der zylindrischen Form in S-N-Richtung (Fig. 72. 3 a-e), eine Modifikation der Kraft-Weg-Kennlinie mit vorverlagertem Konvergenzzentrum des Feldes, durch die im Feld bei der Magnetisierung ausgerichtete Anordnung der Kornorientierung, erreicht wird.
62. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Rekuperation, als kinetische Rückgewinnung der Bewegungsenergie des Feldmodulators (FM), beim Bremsen oder bei Energiezufuhr, im FM-Kreis zur Kompensation der Öffnungsarbeit WAuf mit der Schließarbeit Wzu des Feldmodulators (FM), als weitere Komponente zur Optimierung des Gleichgewichtes in der Gesamtarbeit Wzu, genutzt wird.
63. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Polschuhe zur Maximierung der Nutzkraft in der Kraft-Weg-Kennlinie durch mechanische Reduktion des Mikro-Luftspaltes zwischen den Polschuheπ und den Feldbatterien (FB) durch eine elastische Aufhängung (Fig. 62) oder durch einen Keil-Formschluß (Fig. 63) oder durch einen Konus-Formschluß (Fig. 64) ausgebildet sind. Zweiter unabhängiger Patentanspruch: Feldkraftmaschine, bestehend aus Feld-Halbleitermodulatoren
64. Feldkraftmaschine bestehend aus hochreinen Stoffen mit Feld relativ nichtleitendem Ferro- oder Ferri-Verhalten (Feld-Isolatoren (I)), und in geringer Konzentration Fremd-Stoffe (Feld-Dotieratome) mit Feld leitendem Ferro- oder Ferri-Verhalten, als Pendant zu den Elektronen (N) und/oder Defektelektronen (P) leitenden Halbleiterkristallen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feld-Halbleitermodulator im Feldkraftkreis der Feldbatterie(n) (FB) eines FKG, durch relativ nichtleitende magnetische Feld- oder elektrische Feld- oder thermische Feld- oder gravitative Feld-Kristalle und kontrollierten Einbau von Feld wirksamen relativ feldleitenden Fremdatomen (Dotieratomen) entsteht. Dies bewirkt eine bipolare (P und N) oder unipolare (P oder N) Feld-Halbleitung in diesem Feld-Halbleiterkristall, die durch die Dotierung und äußere Feld- und/oder Temperatur-Einflüsse, gemäß einem Feld-Bändermodell, in einem Feldquanten-Leitungsband definiert und lokalisiert eingestellt werden kann. Dadurch entsteht eine Feld-Eigenleitung des Feld-Halbleiterkristalls, die bei Intergration in einen Feldkraftkreis, d.h. mit angelegter Feld-Spannung, eine Feld-Störstellenleitung bildet. In dieser Feld-Störstellenleitung werden die Fluß-/Feldquanten, entsprechend ihrer Polarität, mit funktionaler Addition und Influenz, zum jeweils entgegengesetzten Pol getrieben. Diese P- oder N-Feld-Halbleiterkristalle können einzeln, oder durch Kombination mit anderen P- oder N-Feld- Halbleiterkristallen, analog der elektronischen Halbleiterbauelemente, ein Feld-Halbleiterbauelement bilden. Entsprechend seinem Funktionsmechanismus und seinem strukturellen Aufbau wird das Feld-Halbleitermodulator-Bauelement zur Steuerung des Flußes der Feldquanten des Feldkraftkreises, entweder durch gleichrichten etc. mittels Feld-Halbleiterdioden, oder durch schalten, verstärken, triggern, oder modulieren etc. (Feld-Strom/-Fluß, -Spannung, -Leistung) mittels Feld-Leitfähigkeitsmodulation durch eine Feld-Sperrschicht (Basis) in einem Feld-Bipolar-Transistor (BT), und/oder mittels Kanalquerschnittsmodulation durch ein Gate mit einem Feld quer zum Flußkanal in einem Feld-Feldeffekt-Transistor (FET), hergestellt. Weitere komplexere Kombinationen bilden Feld-Leistungsbauelemente, wie Feld-Thyristor, Feld-GTO-Thyristor, Feld-Thyristordioden, Feld-Triac und Feld-IGBT. Erfindungsgemäß sind alle vorgenannten Feld-Halbleitermodulatoren, die sich im Kondensatorfeid eines Feldkraftkreises befinden, wegen der angelegten Feld-Spannung des Feldkraftkreises und der dadurch erzeugten Feldkräfte, relativ zur eingebrachten Kapazität, als Makro-, Mikro- oder Nano-Feldkraftmaschinen definiert und herstellbar.
65. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, daß bei magnetischen Feld-Halbleitermodulatoren kristalline isotrope oder anisotrope Stoffe mit ferro- oder ferrimagnetischem und bei elektrischen Feld-Halbleitern kristalline isotrope oder anisotrope Stoffe mit ferro- oder ferrielektrischern Verhalten verwendet werden, die in Dimagnetika (M-Feld-Isolatoren) oder Magnetika (M-Feld-Leiter) bzw. Dielektrika (E-Feid-Isolatoren) oder Elektrika (E-Feld-Leiter) zur technischen Handhabung nach ihrer Leitfähigkeit in Relation zur Temperatur klassifiziert sind.
66. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren im magnetronischen System die magnetischen Teilchen, bei negativer Magnetisierung (N) durch ein negatives Eiektronen-Spiπmoment als Magneton μs~, bei positiver Magnetisierung (P) durch ein fehlendes Elektron-Spinmoment als Magneton-Loch μs* (Defektmagneton), im Atom und Kristallgitter fixiert sind und die Feldquanten, bei negativer Magnetisierung (N) durch Kopplung/Bindung zwischen zwei Spinmomenten als Magnetron M", bei positiver Magnetisierung (P) durch fehlende Kopplung/Bindungslücke zwischen zwei Spinmomenten als Magnetron-Loch M+, als notwendige Voraussetzung zur Flußleitung durch Flußquanten (Photonen) fungieren.
67. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 66, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren ein magnetisches Makro-Teilchen als Atom-Magneton Aμβ" durch die im zeitlichen Mittel parallele zu antiparallele Spinmomente entstehende Summe der Magnetonenzahl und ein Atom-Mageton-Loch Aμs* durch die im zeitlichen Mittel parallele zu antiparallele Spinmomente entstehende Summe der fehlenden Magnetonenzahl bestimmt ist und die zugehörigen Atom-Magnetronen AM" bzw. Atom-Magnetronen- Löcher AM+durch Austauschwechselwirkung mit den Nachbaratomen die hinreichende Voraussetzung für die Flußleitung ergeben.
68. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 67, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren in einem magnetischen System drei Arten von magnetischen Bezugs-Niveaus für Magnetronenpaar-Bindungen in der Weise festgelegt sind, daß die im zeitlichen Mittel parallele zu antiparallele Momente als absolut magnetisch negatives oder positives Bezugs-Niveau eines Atoms benutzt wird, oder das relative Bezugs-Niveau der Magnetronenpaar-Bindungen des Atom-/Kristallgitters, wenn Aμβ" der Dotieratome relativ zum A _j- der umgebenden Gitteratome negativ oder positiv ist, so daß in Bezug zu den Aμs~ der umgebenden Gitteratomen das kμ& der Dotieratome kleiner oder größer ist als das der Gitteratome, oder das Bezugs-Niveau eines Dimagnetikums mit einem magnetischen Null-Niveau (magn. Isolator mit r=1), analog des Siliziums im elektronischen Halbleiterkristall.
69. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 67 und 68, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren magnetische Ionen als Makro-Teilchen mit Magnetronenpaar-Bindungen im magnetischen Kristallgitter und Nm- oder Pm-Feld-Halbleiter dadurch realisiert werden, daß diese wie nachfolgend wirken: Nm-Leiter: Wenn ein relatives oder absolutes Dimagnetikum mit vollständiger Magnetronenpaar-Bindung mit einem um z.B. 1 Magnetron magnetisch höherwertigen Atom dotiert wird, so entsteht ein magnetisch positives Ion lm + und ein magnetischer Nm-Feld-Halbleiter dadurch, daß 1 AM" als Leitungsmagnetron A^B" verläßt und dadurch ein positiv magnetisierteε Ion hinterläßt. Pm-Leiter: Wenn ein relatives oder absolutes Dimagnetikum mit einem um z.B. 1 Magnetron magnetisch niederwertigen Atom dotiert wird, so fehlt für die vollständige Magnetronenpaar-Bindung ein Magnetron und es entsteht ein magnetisch negatives Ion lm " und ein magnetischer Pm-Feld-Halbleiter dadurch, daß 1 AM" als Leitungsmagnetron bei Aμs~ fehlt; dadurch hinterläßt es ein positives magnetisches Loch.
70. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 67, 68, 69, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren eine streng periodische AtonWIon-Anordnung im isotropen oder anisotropen Raumgitter eine magnetische Elementarzelle mit n Gitterpunkten des Raumgitters bildet, in denen die Atom-Magnete in den Gitterpunkten angeordnet sind und deshalb die Magnetronenpaar-Bindung über bestimmte, abstandsabhängige Austauschwechselwirkung mit den benachbarten Spins, n wirksame Elementarmagnete mit m Gitter-Atomen als Elementarzellen-Magnetonen und -Magnetronen bilden, die für die gerichtete Flußleitung und Höhe der Leitfähigkeit notwendig sind, und insbesonder beim Aufbau von nano-kristallinen Feld-Hafbleiterbauelementen geometrisch bestimmt angeordnet werden.
71. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 70, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren ein magnetischer Atom-/lon-Layer eine Ferro-/Ferri-Elementarzelle (FEZ) bildet, die bei einer Anzahl von S Elementarzellen-Schichten den Ferro-/Ferrimagnetismus temperaturabhängig ermöglicht und damit als magnetischer negativer Makro-Atom-/lon-Layer AL β~ mit ALM" Makro-Magnetonen bzw. magnetisch positivem Makro-Atom-/Ion-Layer-Loch AL^B* mit ALM* Makro-Magnetronen-Löcher, die Basis für die magnetische Bezirksstruktur (Domänen) bildet, die als makroskopisch spontane Poiarisations-Einheit einen Fetd-Halbleiterkristall bildet.
72. Feikraftmaschine gemäß Anspruch 69, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren ein PmNm-Übergang als Grenzbereich zwischen einer Pm-Ieitenden Zone und einer Nm-Ieitenden Zone im selben magnetischen Halbleiterkristall hergestellt wird, die ohne (Fig. 146) oder mit (Fig. 147) äußerer magnetischer Spannung hergestellt wird und im Fall mit äußerer Spannung einen Sperrfall (1 - Fig. 142) und Durchlassfall (2 - Fig. 142) zur technischen Nutzung ergibt.
73. Feldkraftmaschnie gemäß Anspruch 64 und 65, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren magnetische Feld-Halbleiterkristalle aus Dimagnetika durch Dotierung mit Magnetika-Fremdatomen bzw. elektrische Feld-Halbleiter aus Dielektrika durch Dotierung mit Elektrika-Fremdatomen, analog der Herstellungsverfahren elektronischer Halbleiterbauelemente, produziert werden.
74. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 64 und 65 ff., dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren, in analogem Funktionsmechanismus und Aufbau wie elektronische Halbleiterbauelemente, als magnetronische Feld-Halbleiterbauelemente durch eine Kombination mit verschieden stark dotierten Feld-Halbleiterkristallen, in den Varianten magnetische Dioden (M-Dioden - Fig. 150), magnetische Bipolar- (M-BT) und Unipolar- (M-FET) Transistoren (M-Transistoren - Fig. 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 161, 162), und in Anwendungen der Leistungsmagnetronik als magnetischer Tyristor (M-Thyristor - Fig. 163, 164 a-c, 165), als M-GTO-Thyristor, M-Thyristordioden, M-Diac, M-Vier-und Fünfschichtdiode, magnetischer Triac (M-Triac - Fig. 166 a-c) und magnetischer IGBT als Kombination eines M-FET zur Steuerung eines M-BT (M-IGTB - Fig. 167, 168) mit hohem Wirkungsgrad und Schaltung starker Ströme/Flüsse, hergestellt und eingesetzt werden.
75. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 73, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren die Schaltung oder Verstärkung magnetischer Ströme/Flüsse in der Vorzugsrichtung die für den Funktionsmechanismus (normale Betriebsrichtung) entscheidende maximale Wirkung und im inversbetrieb, also Betrieb entgegen der Vorzugsrichtung, die minimale Wirkung eintritt.
76. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 73, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren ein M-Bipolar-Transistor (M-BT) ein magnetstrom/-flußgesteuertes Feld-Halbleiterbauelement ist, bei dem kleine Änderungen im magnetischen Basisstrom/-fluß große Änderungen im magnetischen Emitter-Kollektor-Strom/-fluß bewirken, und daß ein M-Feldeffekt-Transistor (M-FET) ein unipolares magnetspannungsgesteuertes Feld-Halbleiterbauelement ist, bei dem ein magnetisches Feld quer zum Kanal, den magnetischen Widerstand der Source-Drain-Strecke praktisch leistungslos steuert, und bei einem M-IGBT ein M-FET (fast ieistungslose Ansteuerung) einen M-BT (gutes Durchlassverhalten), wegen des kleinen Durchlasswiderstandes, fast leistungslos ansteuert, sodaß starke magnetische Ströme/Flüsse fast leistungslos gesteuert werden können.
77. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 64, 65, 66 und 76, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren deren Feldstrom/-fluß-Feldspannungs-Kennlinie bzw. Flußdichte-Feldstärke- Kennlinie (Φm=lm, Bm bzw. Θm=Um, Hm), analog des Ausgangskennlinenfeldes für elektronische Halbleiterbauelemente, die stabilen Schaltzustände an den Arbeitspunkten Aι="Aus" mit sehr großem Widerstand, A2= Sättigungsanfang bei M-BT oder Abschnürgrenze bei M-FET, und A3= "Ein" mit maximaler Leitfähigkeit, auf der Arbeitsgeraden zur Schaltung oder Verstärkung definiert und damit die Arbeitsspunkte stabilisiert werden können.
78. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 73, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren alle Feld-Halbleiterbauelemente mit analogem Funktionsmechanismus und Aufbau auch als elektrische Feld-Halbleitermodulatoren, z.B. als E-BT, E-FET, E-IGBT, hergestellt und eingesetzt werden, wobei durch die Ferro-/Ferrielektrizität die Oberflächenladungen der Kristalle, statt der magn. Spinmomente, die elektrisch spontane Polarisation bewirken und dadurch das Ausgangskennlinienfeld definieren.
79. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, daß ein Supra-Halbleitermodulator als elektrisch unipolares oder bipolares System, mit Elektronen-Paaren (Cooper-Paaren) als gebundene Leitungselektronen-Paare (Nc) und/oder Elektronen-Loch-Paare als fehlende Leitungselektronen-Paare (Pc) dadurch entsteht, daß ein supraleitender Nichtleiter-Kristall durch supraleitende Fremdatome mit einem höherwertigen oder niederwertigen antiparallelen Elektronen-Paar in geringer Konzentration dotiert wird, d.h. ein Cooper-Paar zuviel oder zu wenig hat, und daraus die "gebundenen" Leitungs-Elektronen-Paare oder -Löcher-Paare entstehen. Und daß mit diesem Supra-Halbleiterkristall im Funktionsmechanismus zu normalleitenden Halbleiterbausteinen analoge Supra-Halbleiter-Dioden, Supra-Halbleiter-BT, -FET, -IGBT, etc. und supraleitende Schaltungen in einem Supra-Feldkraftkreis hergestellt werden können.
80. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 73 und 79, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren und Supra-Halbleitermodulatoren jede Art von Schaltungen durch M-Feid-Halbleitermodulatoren oder E-Feld-Halbleitermodulatoren oder Supra-Halbleitermodulatoren hergestellt werden kann.
81. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 73 bis 80, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feld-Halbleitermodulatoren die Konstruktion eines M-BT/E-BT (Fig. 169), oder eines M-FET/E-FET (Fig. 170), oder eines M-IGBT/E-IGBT (Fig. 171), hergestellt in Makro-, Mikro- oder Nano-Struktur, als Feldmodulator (FM) und/oder Polschuh (PS), das Feld der Feldbatterie(n) (FB) im Feidkraftgenerator (FKG) moduliert.
Dritter unabhängiger Patentanspruch: Feldkraftmaschine aus Feldkraftmotor (FKE)
82. Feldkraftmaschine bestehend aus Erregerspulen oder Erregerplatten und Induktoren, sowie aus Kernen mit elektrisch oder magnetisch leitenden oder halbieitenden Stoffen mit Ferro-/Ferri-Verhalten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldkraftmotor (FKE), gespeist mit äußerer elektrischer Primärenergie, im Feldkraftmotortakt dynamisch geregelte und mit variabler Zeitdauer gesteuerte, abstoßende oder anziehende, magnetische Feldkraftstöße in Magnesern, oder elektrische Feldkraftstöße in Elektresern, erzeugt, die über ein Zwei-Magneser/-Elektreser-Prinzip oder ein Ein-Magneser/-Elektreser- induktor-Prinzip, entsprechend der Kraft-Weg-Kennlinie der erzeugten Felder, umgesetzt in ein p,V-Diagramm, in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
83. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Feldkraftmotor (FKE) aus einem System mit zwei Magnesern, orientiert in antiparalleler oder paralleler Kraftfeld-Kopplung, besteht und jeder Magneser aus einer optimierten Erregerspule und einem optimierten Kern besteht und das System zur Erregung durch Impulsmagnetisierung mit Pulskompressionstechnik betrieben wird.
84. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82 und 83, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule in einer ersten optimierten magnetischen Wirkung um so größer ist, je größer die Durchflutung und je kleiner die mittlere Spulenlänge (mittlere Feldlinienlänge) ist, und dadurch viele kurze Spulen mehr magnetische Wirkung ergeben als eine lange, und in einer zweiten Optimierung eine um so größere Kraftwirkung erzeugt wird, je dichter die magnetischen Feldlinien sind, d.h. je größer der magnetische Fluß und je kleiner die Fläche ist, die von ihm durchsetzt wird, und dadurch viele kleine Spulen mit kleiner Fläche eine höhere magnetisch Kraftwirkung ergeben als eine Spule mit großer Fläche.
85. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82 und 83, dadurch gekennzeichnet, daß der optimierte Kern eine um so höhere magnetische Verstärkung aufweist, je höher die Leitffähigkeit am Arbeitspunkt A3 (-(BH)maχ), bei gleichzeitiger Maximierung der Flußdichte und Minimierung der Feldstärke, in der Flußdichte-Feldstärke-Kennlinie ist, d.h. daß zur maximalen Wirkung dieses Magneser-Typs nur Stoffe mit der höchsten Leitfähigkeit mit gleichzeitig höchster Flußdichte und niedrigster Feldstärke den höchsten Verstärkungsfaktor ergeben.
86. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82, 83, 84 und 85, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Optimierung des Magnesers zur Erzeugung des niedrigsten Energieverbrauchs, durch Maximierung des Verhältnisses von Kraft zu Eigengewicht der Erregerspule, Kern und Rückschluß, mit einem Kern aus elektrisch isolierten Lamellenblechen, vorzugsweise aus kornorientiertem und/oder anisotropem Stoff, oder aus einem Kern mit Ein-/Bikristallen und Teilung in Lamellen entlang der magn. Vorzugsachse, sowie der Optimierung der geometriebedingten Eigenresonanz des Kerns mit Minimierung der Ummagnetisierungsverluste, erfolgt.
87. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Feldkraftmotor (FKE) aus einem System mit zwei Festkörper-Magnesern, orientiert in antiparalleler oder paralleler Kraftfeld-Kopplung, besteht und jeder Festkörper-Magneser aus einem starken magnetischen Hohraumresonator mit magnetisch aktivem Wirtskristall, in hervorrragender magnetischer Qualität und großer Wärmeleitfähigkeit, als Verstärkerkern mit dotierten magnetisch aktiven Fremdatomen, aufgebaut ist, und durch Pumpen, d.h. durch parametrische Erregung / Verstärkung in der Pumpfrequenz mit Pulskompressionstechnik, über eine magnetische Besetzungsinversion im Magnesermaterial, eine starke induzierte oder stimulierte magnetisch kohärente Emission erzwungen wird, in der die Spins in einen energetisch tieferen Zustand klappen, so daß der erzeugte Feldkraftstoß der Festkörper-Magneser im FKE die Nutzarbeit erzeugt.
88. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 87, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Magnesermaterial in einen magnetischen Resonator mit zwei magnetischen Spiegeln, dem magn. Spiegel Si mit 100% Reflexion und dem Auskoppelspiegel S2 mit geringerer magn. Transmission, realisiert durch magnetische Brechungsindexmodulation, eingesetzt wird, so daß sich darin eine stehende magnetische Welle aus magnetischen Flußquanten aufbaut, die sich in der Längsachse bewegt und immer wieder das magnetisch aktive Material durchquert und dabei kohärent verstärkt wird, wobei solche Wellen, die den Weg schräg zur Längsachse nehmen, sehr schnell das magn. aktive Material verlassen und nicht weiter verstäkt werden.
89. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 88, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorgüte während des magn. Pumpvorgangs künstlich niedrig gehalten wird, so dass der Festkörper-Magneser nicht anschwingt und eine hohe magnetische Besetzungsinversion aufgebaut wird, und wird die Güte des Güteschalter (Qm-Switching), der aus Zellen bestehend im Resonator eingebaut ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt erhöht, so entlädt sich die gespeicherte magnetische Anregungsenergie in einem kurzen, leistungsstarken magnetischen Riesenimpuls.
90. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 88 und 89, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verstärkung die magnetische Energie angehoben wird, in dem die magnetischen Feldpulse während des Verstärkungsprozesses zunächst, wegen der extremen Leistungsdichte im Verstärkermedium, künstlich verlängert werden, so dass nach der Verstärkung die magnetischen Pulse wieder komprimiert werden und dann mit ihrer extremen Leistung im Kurzzeit-Festkörper-Magneser zur Verfügung stehen und danach ausgekoppelt werden.
91. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82 und 88, dadurch gekennzeichnet, daß, alternativ zum magnetischen Hohlraumresonätor, zur Erzeugung des Pumpvorgangs eine effiziente Hochleistungs-Magneserdiode eingesetzt wird.
92. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 91 , dadurch gekennzeichnet, daß die Magneserdiode durch einen magnetischen Halbleiter entsteht, der die Größe der magnetischen Bandlücke vorgibt, wobei die magnetische Inversion durch Injektion von Magnetisierungsträgern (Magnetonen μB ~ und Magnetonen-Löcher μB +) in diesem magnetischen Halbleiter mit PmNm-Übergang erzielt wird - die Magnetonen-Löcher sind positiv magnetisierte, unbesetzte Elektronen-Spinzustände und können im Vorwärtsbetrieb von PmNm-Übergängen mit einem Magneton-Spinzustand unter Emission eines Photons (Magnetron) "rekombinieren".
93. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldkraftmotor (FKE) aus einem Magneser / Feststoffmagneser / Diodenmagneser und der Gegenkolben aus anziehendem Ferro-/Ferrimagnetischem Stoff besteht.
94. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82 ff., dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldkraftmotor (FKE) aus einem Magneser / Feststoff-Magneser / Diodenmagneser und der Gegenkolben aus einem Induktor aus elektrisch hoch leitendem und leichtem Werkstoff, z.B. Aluminium, oder aus einer Sekundärspule, besteht, so dass beim Ein- und Ausschalten des Feldes ein sich sehr schnell änderndes Erregerfeld entsteht, das im Induktor einen starken Wirbelstrom erzeugt, der beim Einschalten des Feldes in OT-Position der Kurbelwelle eine Abstoßung (Magnetfeld ist dem Erregerspulengfeld entgegengerichtet) und beim Ausschalten des Feldes in UT-Position eine Anziehung (Magnetfeld ist dem Erregerspulenfeid gleichgerichtet) bewirkt.
95. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldkraftmotor (FKE) mit analogem Funtionsmechanismus wie bei einem Magneser-System, aus Elektreser-System-Komponenten mit Erregerplatten und Kernen aus Ferro-/Ferrielektrischem Stoff aufgebaut ist.
96. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82, 87, 91 , 95, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldkraftmotor (FKE) mit seinem primär oder sekundär Feld erzeugenden Komponenten so angeordnet wird, daß zum Impulsausgleich zwei gegenläufige Läufer, oder ohne lmpuisausgleich, ein ortsfester Stator und ein oszillierender bzw. beweglicher Läufer, als Feldkraftmaschinen-Typ in Longitudinal- oder Transversalmaschinen-Bauweise hergestellt und betrieben wird.
97. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 82 und 95, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldkraftmotor (FKE) als Arbeitsmaschine zum Arbeits- und Leistungsabtrieb mit direkter translativer/rotativer Feldkraft-Nutzung oder über einen Kraft-Drehmoment-Wandler, vorzugsweise bei Longitudinalmaschinen mit einem erfindungsgemäß im Kurbeltrieb integrierten Pleuellängen-Variator (PLV), gebaut und betrieben wird.
Vierter unabhängiger Patentanspruch: Feldkraftmaschine und Pleuellängen-Variator (PLV)
98. Feldkraftmaschine bestehend aus einem Kraft-Drehmoment-Wandler in Form einer Kurbelschleife mit den Elementen Kurbelwelle, Pleuel und Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pleuellängen-Variator (PLV) als variables Pleuel die Höhendifferenz des Kurbelwellenhubzapfens (HZ) der Kurbelwelle (KW) zum Kolbenzapfen (KZ) von der OT-Position bei 0° KW nach OT-Position bei 90° KW und von der UT-Position bei 180 ° KW nach UT bei 270 ° KW derart während der Kurbeiwellenumdrehung ausgleicht, daß das Pleuel (P) um die Höhendifferenz (ΔVHZ) bzw. Längendifferenz (ΔP in diesen Phasen verlängert bzw. verkürzt wird, so dass der Kolben (K) in der OT- bzw. UT-Position ruht, bis der Kurbelwellenhubzapfen (HZ) die 90° KW- bzw. 270° KW-Position erreicht hat, wodurch die Kraft bei maximalem Hebelarm in den Positionen ab 90° KW bzw. ab 270° KW (ΔP1 -Steuerdiagramm explizite Lösung - Fig. 181, mechanischer Aufbau - Fig. 182, KW-Kinematik Pleuellängen Variation - Fig. 183, ΔP1 -Steuerdiagramm implizite Lösung - Fig. 184, PV für Kolben K1 - Fig. 185, PV für Kolben K2 - Fig. 186, ΔP1 Steuerdiagramm mit symmetrischer Krafteinleitung +F und -F des K1 - Fig 187) eingeleitet wird.
99. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 98, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pleuellängen-Variator in den Varianten A. "Höhenfunktion MKZ und ΔVHZ relativ zur KW-Achse", B. "Höhenfunktion ΔVHZ relativ zur KW-HZ-Achse", oder C. "Ausgleichsgetriebe", oder D. "Ausgleichs-Kurvenscheibe ortsfest", den Höhen- bzw. Längenausgleich vornimmt.
100. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 98, dadurch gekennzeichnet, daß der Pleuellängen-Variator (PLV) Variante A (Fig. 188) mit dem Prinzip "Höhenfunktion MKZ und ΔVHZ relativ zur KW-Achse", mit einem 2. Kurbeltrieb (PV) im oberen Kolbenzapfen (OKZ) versehen ist, und zum Höhen- bzw. Längenausgleich ein Stößel (S) mit Nockenroile (NR) auf einer Nockenscheibe (NS), die auf der Kurbelwelle (KW) mitdrehend befestigt ist und zur Steuerung des mittleren Kolbenzapfens (MKZ) im PV benutzt wird. Ein explizites Prinzip (Fig. 181) besteht aus einem oberen Pleuel (Pi) und aus einem unteren Pleuel (P2), wobei der PV über den OKZ in den Pleuel Pi integriert ist. Ein implizites Prinzip (Fig. 184) hat ein Gelenk weniger als das explizite Prinzip und dadurch kann das System wesentlich kürzer gebaut werden, was einem tief liegenden Schwerpunkt entgegenkommt.
101. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 98, dadurch gekennzeichnet, daß der Pleuellängen-Variator (PLV) Variante B (Fig. 189, 190, 191) mit dem Prinzip "Höhenfunktion ΔVHZ relativ zur KW-Achse", mit einem 2. Kurbeltrieb (PV) im oberen Kolbenzapfen (OKZ) versehen ist, wobei zum Höhen- bzw. Längenausgleich ein Stößel (S) mit Nockenrolle (NR) in Kontakt zur Nockenscheibe (NS) mittels einer Gleitführung auf dem Schaft des Pleuel P2 drehbar verbunden ist, wobei die Nockenscheibe (NS) auf dem Kurbelwellenhubzapfen (HZ) befestigt ist.
102. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 98, dadurch gekennzeichnet, daß der Pleuellängen-Variator (PLV) Variante C (Fig. 192, 193, 194) mit dem Prinzip "Ausgleichsgetriebe", den Höhen- bzw. Längenausgleich wie folgt vornimmt: Der Kurbelwellenhubzapfen (HZ wird versetzt über einen Auslegerarm in seiner Winkel-Lage und einer Radiendifferenz eines Planeten-Zahnrades (Zp) mit r=1/2ΔP (r=1/2 Höhendifferenz zwischen Ist- und Soll-Bogen des Hubzapfens HZ3 bei momentan ortsfestem Pleuelzapfen (PZ), d.h einer Übersetzung des Radsatzes von i=4:1), und mit einem lokalen, mitrotierenden PV-Kurbeltrieb oder Exzentertrieb versehen wird, dessen Steuerung mit diesem Planeten-Zahnrad (Zp) - wegen der Drehrichtungsumkehr - gekoppelt mit Außenrad (Zg) und/oder Innenrad (Zj), je nach Steuerfunktion, erfolgt. Die Achse des PV wird in die neue Lage des Kurbelwellenhubzapfenz (HZ2) integriert; So bewegt sich der Kurbelwellenhubzapfen HZ3 des Pleuel auf einem Ausgleichsbogen = Soll-Bogen (Radius mit Zentrum in PZ als relativ und momentan ortsfester Punkt des PZ) um HZ2, statt auf dem Ist-Bogen des HZ1. Der Pleuelzapfen (PZ) ist während der Kurbelwellendrehung von 0° KW nach 90° KW in seiner Lage konstant über eine schaltbare Klemmung S (Stop) arretiert, so dass der Kolben während der Kurbelwellendrehung seine OT-Position nicht verändert; gleiches Prinzip gilt für die UT-Position von 180° KW nach 270° KW. Damit keine Bewegung des Pleuelzapfens (PZ) entsteht, muß die Klemmung des Hubes während dieser Phase bestehen, so dass der Kurbelwellenhubzapfen HZ3 auch dem Soll-Bogen folgt.
103. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 98, dadurch gekennzeichnet, daß der Pleuellängen-Variator (PLV) Variante D (Fig. 195) mit dem Prinzip "Ausgleichskurvenscheibe ortsfest", den Höhen- bzw. Längenausgleich als Konstruktion mit einem Variator-Pleuel für den Kolben (K1 ) und für Kolben (K2) mit separatem Hubteiler 1/2H K1 und 1/2 H K2, wie folgt vornimmt: Die Kurvenscheibe (KS) ist eine ortsfeste Kurvenscheibe mit Außen- und Innen-Kurvenscheibe, in deren Führungsbahn mit Soll-Bogen sich eine Kurvenrolle (KR) als variabler Hubzapfen HZ1 - gekoppelt über einen schwingenden Auslegerarm (A) verbunden mit dem Hubzapfen HZ der Kurbelwelle - mit dem mit HZ! gekoppelten Pleuel (P) so bewegt, dass sich die Pleuellängen-Variation, relativ zur Kurbelwellen-Position, auf dem Soll-Bogen ergibt. Die auf der Innenbahn entstehenden scharfen Wendepunkte werden durch einen Materialauftrag auf der Innenbahn mit der Dicke d zu einem zur Außenbahn äquidistanten Krümmungsradius umgeformt, so dass sich eine weniger scharfe Abrollung und Verschleiß ergeben. Der Radius der Kurvenrolle (KR) ergibt die äquidistanten Führungsbahnen mit entsprechender Beschleunigungsfunktion.
104. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 98, dadurch gekennzeichnet, daß der Pleuellängen-Variator (PLV) in seinen verschiedenen Varianten als neues kinematisches Wandlerprinzip zur effizenten (höheres Drehmoment und Leistung aufgrund des größeren Hebelarms) Umwandlung linearer in rotative Bewegung bei Kurbelschleifen für Verbrennungsmotoren, Kompressoren, Pumpen und anderen Kraft-Drehmoment-Wandlern eingesetzt werden kann
Fünfter unabhängiger Patentanspruch:
Magneto-elektrisches Feldkraft-System
105. Feldkraftmaschine bestehend aus Elektrogenerator, Ladungsregler, Pufferbatterie, Kupplungen, Wärmetauscher, Abschirmungen Verbraucher etc. dadurch gekennzeichnet, daß ein Magneto-elektrisches Feldkraft-System durch die Kombination der FKM-Sybsysteme Feidkraftgenerator (FKG), auch als FKG-Solid-state-Version, Feld-Halbleitermodulatoren, Feldkraftmotor (FKE), und/oder bei Translations-Rotationswandlung ein Pleuellängen-Variator-System, einen miteinander abgestimmten Funktionszusammenhang in der Weise ergeben, daß ein komplett neues autonomes Antriebssystem/-aggregat und/oder Energiequelle und/oder Energiepumpe (im Linkskreisprozeß) entsteht (Fig. 197).
106. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 105, dadurch gekennzeichnet, daß der Feidkraftgenerator und/oder der Feldkraftmotor (FKE) in der Maschinenart einer Longitudinal-Maschine, vorzugsweise ausgebildet als Hubkolben-, Freikolben-, Orbitalkolben-, Transversal-Hubkolben- Maschine, oder als Transversal-Maschine mit konstantem Arbeitsluftspalt zwischen den Feldbatterien (FB), vorzugsweise ausgebildet als Kreiskolben-, Drehfeld- oder Wanderfeld-Maschinen, sowie als FKG-Solid-state Feidkraftgenerator ohne bewegliche Komponenten (ausgenommen Feldmodulator) hergestelllt wird.
107. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 105 und 106, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Feldkraftmaschine in Teilen und im Ganzen in der Scalierung Makro-, Mikro-, und Nano-Technologie erfolgt.
108. Feldkraftmaschine gemäß Anspruch 105, 106 und 107, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz und die Anwendung bzw. Verwendung unbeschränkt ist, d.h. auf der Erde, im Wasser, in der Luft und im Raum. Und daß die Feldkraftmaschiene ohne Einschränkung des Verwendungszwecks in mobilen Systemen, z.B. zum Antrieb von Autos, Eisenbahnen, Schiffen, Motorrädern, Flugzeugen, Robotern, etc. und in stationären Systemen, z.B. im Haus für die Erzeugung von Wärme, Kälte, Förderung von Wasser, etc., sowie in der Industrie zum Antrieb von Maschinen und/oder zur Erzeugung von elektrischer Energie, eingesetzt werden kann.
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