WO2013034339A2 - Magnetvorrichtung - Google Patents

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WO2013034339A2
WO2013034339A2 PCT/EP2012/063713 EP2012063713W WO2013034339A2 WO 2013034339 A2 WO2013034339 A2 WO 2013034339A2 EP 2012063713 W EP2012063713 W EP 2012063713W WO 2013034339 A2 WO2013034339 A2 WO 2013034339A2
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translator
stator
magnetic
movement
axis
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WO2013034339A3 (de
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Jérémy HEIN
Martin MARSCHNER VON HELMREICH
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Seh Limited
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    • H02K2213/09—Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators

Definitions

  • This invention relates to a magnetic device comprising at least one stator magnet and at least one translator magnet, which translator is movable relative to the stator in a translator movement direction, which translator movement direction is oriented to a stator, further the translator is coupled to a drive axis ,
  • the applications of the magnetic device according to the invention are in use as a magnetic drive, as a generator or as a resistance device which generates a force against a force acting from outside on the resistance device force.
  • a magnetic drive When used as a magnetic drive mechanical work can be done on the drive axle.
  • Magnetic drives according to the prior art are based on the principle of utilization of the magnetic dipole. Activation of repulsive forces and attractive forces causes movement of a translator magnet relative to a stator magnet. This movement may be a linear or rotary movement of the translator magnet directed past the stator or an oscillating movement of the translator magnet directed towards the stator magnet. Magnetic drives according to the prior art, which are based on the latter movement of the translator magnet, are characterized in that the translator magnet are in contact, at least in one end position, with the stator magnet. In prior art magnetic actuators, the translator in its final position and the stator act as a magnet, so that the stator and translator can only be separated by a high energy input.
  • JP2006325381 discloses a magnetic device having at least one translator movable between at least two stators, the axis of translation of the translator extending through the stators. The movement of the translator is limited by provided on the stators spacer. The spacers are used to reduce Noise of the power generator and of mechanical noise caused, for example, by the contact of stator and translator.
  • JP2006345652 describes a device for controlling a movement of a needle guided by a magnet. There is no indication of any control over the movement of the needle with respect to the state of force caused by a magnet.
  • US20060049701 shows a magnetic device wherein the axis of movement of the translators does not extend through the stators. The translators are moved laterally past the stators, with the result that the force state between stators and translator is not oriented parallel to the translator's direction of motion. Notwithstanding the lack of any indication of the translator motion control relative to the translator-stator force state, the device disclosed in US20060049701 has a much lower efficiency than the translator motion because of the orientation of the force state discussed device.
  • JP2010104078 describes a magnetic device wherein the translator movement is controlled by a spacer.
  • the spacer has a shape that does not affect the resulting between stator and translator force state by its presence.
  • RO126256 relates to a magnetic device which does not include a control device for controlling the translator movement as compared with the magnetic device discussed below.
  • JP2002335662 discloses a magnetic device which also does not include a control device for controlling the translator movement.
  • the object of the invention is to provide a magnetic device, in particular a magnetic drive, a generator or a resistance element, which are characterized by a higher efficiency than the known from the prior art electromagnetic motors.
  • the translator magnet will be referred to as translator, the stator magnet as stator.
  • the magnetic device comprises a control device, which control device, a device for controlling a distance r> 0 (in words: r greater than zero) of the translator to the stator during operation of the magnetic device with respect to the between Stator and translator resulting force state, the translator is movable in the translator movement direction along a linear translator movement axis relative to the stator, wherein the at least one stator and the translator along the translator movement axis are aligned.
  • the distance r is defined in the context of the disclosure of this invention as the distance between the stator-facing surface of the tanzlators and the translator-facing surface of the stator.
  • the distance r can be further set by the control device depending on the temporary properties of the magnets. The temporary properties of the magnets can be changed on the one hand by external influences such as heat load, on the other hand by other control devices to be controlled.
  • the field strength of a magnetic field and the orientation of the magnet can be controlled by methods of the prior art.
  • the choice of materials and the combination of materials have an influence on the properties of a magnet.
  • the control device included in the magnetic device of the present invention can control the distance r with respect to the above-mentioned influences and characteristics of the magnets of the at least one stator or the at least one translator.
  • the minimum distance r was 1, 0mm to 2.0mm.
  • the experimental setup is configurable so that the distance is infinitely adjustable, so that experiments were carried out with any distance in the range of 1, 0 to 2.0mm.
  • the axis, along which the translator and the stator are arranged, may have a polygonal shape, one curved in partial regions or one straight in other partial regions.
  • stator and translator With only a short-term contact or sufficiently close approach of stator and translator they would act according to common teaching as a magnet, so that - to allow an oscillating movement of the translator - this must be separated by an additional separation energy. It is also an object of the invention disclosed herein to provide a magnetic device, which is characterized in that the stator and translator never come into contact with each other during operation of the magnetic device according to the invention and thus - with reference to the common teaching - at any time of use of the magnetic device as to act a magnet. This allows operation without this additional separation energy as the translator moves in the direction away from the stator.
  • the invention does not exclude that the translator and the stator are in contact with each other when the magnetic device according to the invention is not in use.
  • the Magnetvornchtung formed as a magnetic drive can be coupled with a to be offset in use of the magnetic drive in motion flywheel, which compensates for a different acceleration of the translator on the Translatorwegrange.
  • a flywheel according to the prior art is mentioned here by way of example.
  • the magnetic device according to the invention comprises at least one stator and a translator movable relative to the stator.
  • An embodiment of the high efficiency magnetic device of the invention comprises two stators and a translator movably mounted between the stators.
  • a possible embodiment of the magnetic device according to the invention may be that at least one stator, preferably two stators in, for example, a center of the axis and at least one translator, preferably two translators, are arranged on the axis on both sides of the stator.
  • a magnetic device according to the invention may be in combination with a further magnetic device according to the invention and / or in combination with a magnetic device according to the prior art.
  • the movement of the translator relative to the stator may be an oscillating motion.
  • the oscillating motion of the translator is always relative to a stator.
  • the movement of the translator can be achieved by utilizing the attractive force and repulsive force caused by the magnetic dipole acting between the stator and the translator.
  • a use of the magnetic device according to the invention as a magnetic drive can be characterized in that the translator is moved in an oscillating manner. Furthermore, the oscillating movement of the translator can be accomplished by a mechanical constraining system. By coupling the translator with a mechanical constraining system such as a crank mechanism, the amplitudes of the oscillating motion of the translator can be limited.
  • the mechanical constraining system can compensate for the different or the same magnetic field strengths and their influence on the movement of the translator.
  • the invention described below is based on experiments with a pilot plant, which was operated with magnets with different field strengths or with magnets with the same field strengths. It was possible to achieve good experiences in operating the test facility using magnets with the same field strengths.
  • the mechanical constraining system may force further movement of the translator in an end position, thereby releasing the translator from the magnetic field of the nearest stator against the attractive forces acting between a stator and the translator and the repulsive forces acting between a stator and the translator.
  • a magnetic drive which comprises two stators arranged on an axis and a translator movable between the stators, along the axis.
  • the stators and the translator may be formed around this axis as a rotationally symmetrical body.
  • the ferromagnetic core Under the magnetic excitation by the field H, the ferromagnetic core is magnetized causing an additional magnetic field M.
  • the magnetic fields M and H result in the magnetic field B, with all the magnetic fields in the equation being related.
  • Magnetic field, magnetization and magnetic induction can be generally expressed by Equation 1 .1. be expressed.
  • volumetric magnetic susceptibility is defined by the following relationship
  • B is the magnetic induction in Tesla (T)
  • H is the magnetic field in amperes per meter (A m)
  • J is the magnetization in Tesla (T)
  • M is magnetic dipole moment per unit volume in amperes per meter (A / m)
  • ⁇ is the absolute magnetic permeability of the ferromagnetic core
  • N is the number of complete windings
  • L 2a is the length of the coil in meters (m)
  • R is the inner radius of the coil in meters (m)
  • V KR 2 L is known to be the volume of the electromagnetic core.
  • the magnetic dipoles correspond to the two magnetic charges, which dipoles by a distance L
  • the positive magnetic charge is associated with the north polarity, the negative magnetic charge with the south polarity.
  • the magnetic dipole moment is oriented from the south pole to the north pole.
  • an embodiment of the magnetic drive according to the invention comprising three electromagnets aligned on one axis
  • the first and the second electromagnet are mounted immovably and are referred to below as stators.
  • the stators are arranged on an axis and spaced apart by a distance d.
  • the stators are sufficiently characterized in view of this disclosure by the following parameters. as the number of windings on the coil of the stator,
  • the third magnet is movably disposed on an axis defined by the two stators and between the two stators.
  • the third magnet is called in the following translator and is sufficiently determined by the following parameters.
  • R 'a the radius of the coil of the translator in meters (m)
  • the stators are electrically connected to a DC power source
  • the magnitude of the magnitude of the magnetic poles are equal in absolute values, but the induction fields obtained are directed in opposite directions.
  • the resulting force state is calculated, which adjusts in a polarity of the stators and the translator according to the representations in Figure 1.
  • the polarity of the translator shown in Figure 1 is also referred to as a "negative" polarization of the translator, i.e., the magnetic dipole moment is oriented in the direction.
  • the resulting force state on the translator is the vectorial sum of all interactions:
  • the resulting force state is calculated, which adjusts in a polarity of the stators and the translator as shown in Figure 2.
  • the polarity of the translator shown in Figure 2 is also referred to as a "positive" polarization of the translator, i.e., the magnetic dipole moment is oriented in the direction.
  • Stator # 1 is poled so that
  • Stator # 2 is poled so that applies.
  • the size of the magnetic induction field has already been defined by equation (2.1), from which the size of the magnetic induction field between the first stator and the translator can be derived.
  • the induction field is oriented in the same direction as the magnetic dipole moment.
  • Magnetic pole strengths are calculated using equations (4.4a) for the first stator, (4.4b) for the second stator, and (4.4c) for the translator.
  • the calculation of the magnetic pole strengths involves the calculation of the total magnetic induction field at the poles. This is done using equations (4.2a) and (4.2b).
  • Equation (4.5) is a function of the position of the translator between the stators.
  • the resultant force state acting on the translator is composed of the repulsive force acting between the first stator and the translator and the attractive force acting between the second stator and the translator.
  • the dependence of the respective forces are shown in Figures 3a, 3b, 3c below.
  • the above mathematical discussion further shows that in a position of the translator to a stator, the attraction and - after reversal of the stator or the translator - the repulsive force are different.
  • the magnetic device according to the invention is based on the fact that the polarity of the stator or translator creates a resultant force state which acts on the translator and causes it to move.
  • An embodiment of the magnetic device according to the invention may be that the stator is designed as a permanent magnet, the translator as an electromagnet.
  • this embodiment has the disadvantage that a cable connecting the translator with a power supply is subject to movement in at least partial areas because of the mechanical coupling with the translator.
  • n 1, 2, 3 stators and n-1 translators arranged between the stators, however, the formation of the translators as electromagnets causes n-1 translators to be reversed to less than n stators.
  • a further embodiment of the magnetic device according to the invention may be that the stator as an electromagnet, the translator are formed as a permanent magnet.
  • This embodiment of the magnetic device according to the invention when used as a magnetic drive is characterized in that the stator is coupled as a non-movable magnet with a power supply. This has the advantage that the power supply and the stator connecting cables will not move.
  • stator can be designed as electromagnets or as permanent magnets stator and translator.
  • the formation of the at least one stator and the translator as a permanent magnet relates to the application of the resistance element. In this case, the movement of the stator is limited by activation of repulsive forces between poles of the stator and translator, which are the same polarity.
  • a possible embodiment of the magnetic device according to the invention may be that the stator consists of a plurality of stator individual magnets and / or the translator consists of a plurality of translator individual magnets.
  • the individual magnets are arranged so that a greater attraction or repulsive force acting between the stators and the translator is provided by a superposition of the individual magnetic fields.
  • the control device may comprise a spacer element positioned between the stator and the translator and / or a mechanical constraining system delimiting the movement of the translator.
  • the spacer may comprise a switch, by which a change in the polarity of the stator and / or the translator and / or a change in the pole thickness of the stator or the translator is activated.
  • the control device may comprise a distance measuring device and / or a timing device, by means of which control device, depending on the position of the translator relative to the stator and / or in dependence on a time period, the polarization of the stator and / or the translator and / or the field strength of the stator and / or the translator is changeable.
  • An embodiment of the magnetic device according to the invention comprises at least one control unit which controls the position of the translator relative to the stator.
  • This control device is coupled to a position measuring device, which measures the position of the translator optionally in relation to a stator by measuring methods, in particular distance measuring methods and position measuring methods according to the prior art, and optionally in Referring to the position of the translator relative to the stator sets the polarity of the stator or the translator.
  • the control device is in no way limited to the measurement of a specific position of the translator or the determination of the reaching of a specific position by the translator.
  • the control device may comprise other devices such as position measuring means or speed measuring means for measuring the position of the translator or the speed of the translator at any position of the translator.
  • the measurement of position and velocity of the translator at any position may be advantageous in terms of controlling the movement of the translator at a position with a defined distance from the stator, especially at a high speed of the translator, especially as the translator is at a certain position must be braked and accelerated at a defined distance to the stator.
  • the determination of the position of the translator is by no means limited to the measurement of a position of the translator relative to the stator. The determination of the position of the translator can be made to any reference point.
  • a further embodiment of the magnetic device according to the invention is characterized in that the translator is coupled to a mechanical constraining system such as a crankshaft, by which constraining system the movement of the translator, more specifically the maximum movement amplitudes of the translator while maintaining the spacing of the translator from the stator are controlled ,
  • the mechanical constraining system may be coupled to or formed as an element to be driven by the magnetic device of the invention, such as a wheel.
  • stator individual magnets on the stator and / or the translator individual magnets on the translator are arranged along a polygon-describing line about a polygon axis oriented parallel to the translator movement direction.
  • the translator movement direction and the attractive and repulsive forces activated by the respective magnetic fields are oriented parallel to each other.
  • stator individual magnets and / or the translator individual magnets are arranged on the stator or on the translator along a line describing a polygon about an axis oriented parallel to the translator movement direction.
  • the respective translator movement direction and the attraction forces and repulsion forces activated by the respective magnetic fields are oriented parallel to one another.
  • the translator may be movably supported by at least one guide unit relative to the stator, wherein the guide axis of the guide unit intersects the stator in a region between two immediately adjacent stator individual magnets and the translator in a region between two immediately adjacent translator single magnets.
  • a volume extending between the stator and the translator located at the greatest distance d from the stator may be a vacuum.
  • the magnetic device according to the invention is arranged in an airtight housing, wherein the drive axle, the power cable et cetera are guided through this housing.
  • Figure 1 and Figure 2 show an embodiment of the magnetic device according to the invention as a magnetic drive 20 together with the variables used in the description.
  • Figures 3a-3c show diagrams relating to the magnitude of the forces acting on the translator as a function of the distance of the position of the transformer to the stators.
  • Figure 4 and Figure 5 show a further embodiment of the magnetic device according to the invention as a magnetic drive.
  • FIG. 6 shows a further embodiment, similar to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, of the magnetic device according to the invention as a magnetic drive.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the magnetic device according to the invention.
  • FIG. 8 illustrates a possible coupling of a plurality of magnetic drives with a shaft to be driven.
  • Figure 9 to Figure 1 1 show a further embodiment of the magnetic device according to the invention as a magnetic drive.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of the magnetic device according to the invention as a resistance element.
  • FIG. 13 shows an isometric view of an embodiment of the magnetic device according to the invention.
  • FIG. 14 is a top view similar to a view of the embodiment of the magnetic device according to the invention shown in FIG.
  • FIG. 15 shows a side sectional view of that shown in FIG. 13 to FIG.
  • Embodiment of the magnetic device according to the invention Embodiment of the magnetic device according to the invention.
  • FIG. 16 shows the arrangement of the elements in the context of an FEM simulation of the magnetic device shown in FIGS. 13 to 15.
  • Figure 17 to Figure 18 shows the result of the FEM simulation.
  • Figure 19 and Figure 20 are diagrams of the FEM simulation.
  • FIG 1 and Figure 2 show an embodiment of the magnetic device according to the invention as a magnetic drive 20 together with the variables used in the description.
  • the magnetic drive 20 comprises a translator 2 and stators 1, 1 'arranged laterally to the translator 2.
  • the stators 1, 1 'and the translator 2 are electromagnets, which along an axis - in the exemplary embodiment shown in Figure 1 and Figure 2 along the drive axis of the translator 3 - are aligned.
  • the dipolar moment of the stators 1, 1 'and the translator 2 is aligned parallel to this axis.
  • the translator 2 For alternating polarity of the translator 2 this is connected via a power cable 1 1 with an AC power source, not shown, while the stators 1, 1 'are each connected to other power cables 1 1 with a DC power source, not shown.
  • the polarity of the translator 2 is set so that the polarity of the translator 2 facing the left stator 1 has a same polarity to the nearer pole of the left stator 1, whereby a repulsive force 13 between the left stator 1 and the translator 2 is activated; the pole of the translator 2 facing the right-hand stator V has a different polarity to the nearer pole of the right-hand stator V, whereby an attractive force 12 between the left-hand stator 1 and the translator 2 is activated.
  • the force of attraction 12 and repulsive force 13 act on the translator 2 and cause, as a resultant force state, a movement of the translator 2 in the translator movement direction 6 shown in FIG. 1 from left to right, the translator movement direction 6 being oriented towards the stator 1.
  • the movement of the translator 2 following the polarity reversal of the translator 2 in translator movement direction 6 from right to left is shown in FIG.
  • the translator 2 When operating the magnetic drive 20, the translator 2 always has a defined distance r greater than zero to the stator 1.
  • This feature is a contact of the translator 2 with a stator 1, 1 'excluded during operation of the magnetic drive 20 according to the invention.
  • the distance r is defined as the distance between the mutually facing pole ends of the translator 2 and the respective stator 1, 1 '.
  • the position 16 is an end position of the linear movement of the translator 2 and is characterized in that the translator 2 to the left stator 1 on the one hand smallest defined distance r 2 , on the other hand to the right stator V has the largest defined distance n.
  • the distances n and r 2 are defined so that, after reversal of the translator 2 to perform a subsequent translator shown in Figure 2 from right to left acting on the translator 2, by the same polarity of the immediately adjacent poles of Translator 2 and left Stator 1 resulting repulsive force is maximum.
  • the distance r is predetermined by a control unit, by means of which control unit the polarity of the translator 2 designed as an electromagnet is changed. When the position 16 is reached by the translator 2, the translator 2 'is reversed in polarity, so that the translator 2 is moved in an opposite direction of movement to that shown in FIG.
  • the stator 1 is held by a stator support 14 on a support structure 15.
  • the translator 2 is coupled to a drive axle 3 which, in the embodiment shown in FIG. 1, also serves as a guide unit 7 of the translator.
  • the guide axis 8 of the guide unit 7 is oriented parallel to the translator movement direction 6.
  • the guide unit 8 passes through the stators 1, V and through the translator 2, wherein the respective magnetic field of the stators 1, 1 'and the translator 2 is disturbed by the presence of the guide unit 8 in the respective magnetic fields.
  • the volume which extends between the stators 1, 1 ' is a vacuum.
  • the magnetic drive 20 is for this purpose located in a housing, not shown.
  • the graph disclosed in FIG. 3 a shows the dependence of the repulsive force 13 between the translator 2 and the left stator 1 during a movement of the translator 2 according to FIG. 1.
  • the spacing of the translator 2 from the respective stator 1, 1 ', the force acting between the translator 2 and the stator 1, 1' is plotted on the ordinate.
  • the graphs disclosed in FIGS. 3a, 3b and 3c are based on a calculation according to the equations disclosed in the description text with the following assumptions:
  • the position 16 of the translator 2 is set by the control unit so that the zero point of the translator 2 has a distance £ m in to the zero point of the immediately adjacent stator 1, 1 '.
  • the graph shown in FIG. 3b relates to the dependence of the attractive force 13 on the spacing of the translator 2 from the right-hand stator V as shown in FIG. 1. It is generally the case that the attraction 13 increases with increasing approach of the translator 2 to the right stator 1 '.
  • FIG. 3c shows the graph resulting from the graphs of FIGS. 3a and 3b.
  • the graph disclosed in FIG. 3c thus shows the resultant force state resulting from the progression of the repulsive force 13 and the attraction 12 as a function of the position of the translator 2 between the stators 1, 1 ', the resulting force state being parallel to the axis, in FIG Referring to Figure 1 and Figure 2 is considered parallel to the movement axis 3.
  • FIG. 4 and FIG. 5 show another embodiment of the magnetic device according to the invention as magnetic drive 20, which is similar to that in FIG. 1 and FIG. 2.
  • the polarity of the translator 2 remains in the further embodiment shown in FIG during a movement of the translator 2 equal, while the polarity of the stators 1, 1 'is changed.
  • FIG. 6 shows an embodiment similar to the embodiment shown in FIG. 4, which, in contrast to the embodiment shown in FIG. 4, comprises two guide units.
  • the magnetic field acting between the stators 1, 1 'and the translator 2 is not disturbed by the presence of the guide unit 7.
  • FIG 7 shows a further embodiment of the magnetic drive 20 according to the invention, wherein the translator 2 is rotatably moved.
  • the magnetic drive 20 comprises four segment-shaped translator individual magnets 5, which are arranged in the form of a circle 10 about a drive axis 3 and a translator axis of rotation and at right angles thereto.
  • the translator individual magnets 5 are mechanically coupled to the drive shaft 3 via guide units, so that the translator individual magnets 5 form a translator 2.
  • segmentally shaped stator individual magnets 4 are arranged, which are coupled by a mechanical coupling, not shown, to a stator 1.
  • the mutually facing poles of the stator individual magnets 4 and the translator individual magnets 5 are poled differently or the same.
  • FIG. 8 shows the coupling of a first magnetic drive 20 according to the invention with a second magnetic drive 20 'according to the invention.
  • a rod 19th provided, which at one end with the disc 17 eccentrically with respect to the disc center point 18, at its other end to the respective magnetic drive 20,20 'is pivotally connected.
  • the magnetic drives 20,20 ' are mounted stationary with respect to the disk center point 18, so that a rotational movement of the disk 17 is caused by the linear movement generated by the magnetic drives 20,20'. Due to the eccentric mounting of the rod 19,19 ', the linear movement of the translator 2 (not shown in Figure 8) of the magnetic drive 20,20' is mechanically controlled.
  • Figure 9 to Figure 1 1 show views of an embodiment of a magnetic drive, which is characterized by the arrangement of a plurality of stator individual magnets 4 on the stators 1, 1 'and a plurality of translator individual magnets 5 on the translator 2, as well as detailed views of the translator 2 and the stator 1, 1 '.
  • FIG. 9 shows a top view of the embodiment of the magnetic drive according to the invention shown in FIGS. 9 to 11.
  • the magnetic drive comprises 2 stators 1, 1 ', which are arranged along an axis 9. There are further arranged two guide units 7, through which the located between the stators 1, 1 'Translator 2 is mounted relative to the stators 1, 1' movable.
  • the translator 2 is further coupled to a drive axle 3, which extends through the stators 1, 1 'to a driven element (not shown).
  • the support structure 15 serves as a support for the axle 9 and the drive axle. 3
  • FIG. 10 shows a side view of the stator 1 of the embodiment of the magnetic drive according to the invention shown in FIG. 9 to FIG.
  • the stator 1 comprises five stator individual magnets 4, which are arranged rotationally symmetrically about the drive axis 3.
  • the stator individual magnets 4 are each arranged opposite the translator individual magnets 5.
  • FIG. 11 shows a side view of the translator 2.
  • the translator 2 comprises a plurality of translator individual magnets 5, which are arranged rotationally symmetrically about the drive axis 3 extending normal to the viewing plane along a polygon 10.
  • the translator individual magnets 5 are on the one hand on the drive axle 3, on the other hand mounted on a translator carrier 21 by a translator bearing 22.
  • the translator bearings 22 are formed with the smallest possible cross-section webs.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of the magnetic drive according to the invention as a resistance element.
  • the structure is basically similar to the embodiments described above, but with the stators 1, 1 'poled with respect to the translator 2 so that attractive forces 12 and repulsive forces 13 between the poles of the translator 2 and the stators 1, 1' are activated.
  • the translator 2 is thus movable during acceleration by an external force acting on the translator 2 via the drive axis 3 between the stators 1, 1 'along a path.
  • FIG. 13 shows an isometric view of a further embodiment of the magnetic device according to the invention.
  • the magnet device comprises a stator 1 arranged between two translators 2, wherein the stator 1 and the translator 2 are arranged within a support structure 15 formed into a housing. Outside the support structure, the drive axle 3 is arranged.
  • the stator 1 and the translators 2 are arranged along the axis 9, through which axis 9 the translator movement direction 6 is predetermined.
  • the translators 2 are mounted by means of two guide units 7 and are supported by these guide units 7, wherein the guide axes 8 are oriented parallel to the translator movement direction 6.
  • the guide units 8 are arranged laterally of the translators 2, so that the guide units 8 do not disturb the magnetic field acting between the translators 2 and the stator 1.
  • the guide units 8 are held by the support structure 15.
  • the magnetic device shown in Fig. 13 has substantially the above-mentioned characteristics as far as they are applicable to the device shown in Fig. 13.
  • the translators 2 are N45 grade magnets.
  • the stator 1 is a Electromagnet comprising a magnetic core 22 and a coil 22 surrounding the core 22.
  • FIG. 14 shows a top view of a bottom view of the magnetic device according to the invention shown in FIG. The features described above with reference to FIG. 13 are substantially visible in FIG.
  • the stator 1 is mounted on the support structure 15 by means of a stator carrier 14.
  • the core 22 of the stator 1 extends beyond the support structure 15 in the direction of the axis 9, so that the magnetic field acting between the stator 1 and the translators 2 is not disturbed by the stator support 14.
  • the shape of the translator carrier 24, by means of which the translators 2 are mounted on the guide unit 7, is adapted to the torque load recognizable by the person skilled in the art and to the oscillatory forces caused by, inter alia, the oscillating motion of the translators 2.
  • FIG. 15 shows a sectional view of the magnetic device shown in FIGS. 13 and 14.
  • a calculation area 21 is entered for which the course of the magenta field strengths was calculated by means of the finite element method (FEM for short).
  • FEM finite element method
  • the calculation area 21 extends only over one half of symmetry; the axis of symmetry is congruent with the axis 9 in FIG.
  • the results of the calculation by FEM are discussed in the following paragraphs.
  • Figure 16 shows a detail of the symmetry half observed in the calculations by FEM.
  • the symmetry axis and the axis 9 are again congruent.
  • the symmetry halves of the translators 2 in FIG. 16 are entered.
  • the stator 1 comprises a core 22 and a coil 23, wherein again only the respective symmetry halves are registered.
  • FIG. 17 and FIG. 18 show the result of the simulation by means of FEM.
  • the FEM calculation is based on the assumption that the stator is designed as a 90-amp solenoid and the translators 2 as N45-grade permanent magnets at 1050kA / m.
  • the repulsive force 13 acting between the stator 1 and the translator 2 constitutes the major part of the translational force acting on the translator 2
  • a movement of the translator 2 ' is also effected by the force of attraction 12 acting between the translator 2' and the stator 1.
  • FIG. 18 shows the result of the simulation by means of FEM at a position of the translators 2 in a respectively equal distance from the stator 1.
  • FIG. 19 shows a diagram in which the translational force calculated by means of FEM simulation is compared with the translational force measured at the test facility.
  • a translator with a permanent magnetization of 1050.0 kA / m was considered.
  • the stator was charged with 90A to perform the measurement on the pilot plant.
  • the charging of the stator with 9A was taken into account and the values obtained were extrapolated to 90A.
  • FIG. 20 compares the translational force calculated by means of FEM simulation on the basis of the above theory with different magnetization of the translators designed as permanent magnets.
  • the diagram is the calculated translational force on the y-axis, the position of the tanslator plotted on the x-axis.
  • the influence of the magnetization of the translators formed as permanent magnets when the stator is acted upon by 9A but extrapolated to the application of 90A can be seen from the diagram of FIG.
  • the graph "simulated force [N]" in the graph represents the general graph of the other graphs of the graph, and the graph "simulated force” is also plotted in the graph of Figure 19 as "simulated force [N]".

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Abstract

Magnetvorrichtung umfassend zumindest einen Stator (1, 1') und zumindest einen Translator (2), welcher Translator (2) relativ zum Stator (1, 1') in einer Translator-Bewegungsrichtung (6) bewegbar ist, welche Translator-Bewegungsrichtung (6) zum Stator (1, 1') gerichtet orientiert ist, wobei der zumindest eine Stator (1, 1') und der Translator (2) entlang einer Achse ausgerichtet sind, wobei die Magnetvorrichtung eine Steuervorrichtung umfasst, welche Steuervorrichtung eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abstandes r>0 (in Worten: r größer Null) des Translators zum Stator bei Betrieb der Magnetvorrichtung in Bezug auf den sich zwischen Stator und Translator ergebenden Kräftezustand umfasst, der Translator (2) in der Translator-Bewegungsrichtung (6) entlang einer linear verlaufenden Translator-Bewegungsachse relativ zum Stator (1,1') bewegbar ist, wobei der zumindest eine Stator (1,1') und der Translator (2) entlang der Translator-Bewegungsachse ausgerichtet sind.

Description

Magnetvorrichtung
Diese Erfindung betrifft eine Magnetvorrichtung umfassend zumindest einen Stator- Magneten und zumindest einen Translator-Magneten, welcher Translator relativ zum Stator in einer Translator-Bewegungsrichtung bewegbar ist, welche Translator- Bewegungsrichtung zu einem Stator gerichtet orientiert ist, weiters der Translator mit einer Antriebsachse gekoppelt ist.
Die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung liegen in der Verwendung als Magnetantrieb, als Generator oder als eine Widerstandsvorrichtung, welche eine Kraft gegen eine von außen auf die Widerstandsvorrichtung einwirkende Kraft erzeugt. Bei Verwendung als Magnetantrieb kann eine mechanische Arbeit über die Antriebsachse verrichtet werden.
Magnetantriebe nach dem Stand der Technik basieren auf dem Prinzip der Ausnutzung des magnetischen Dipols. Durch die Aktivierung von Abstoßungskräften und Anziehungskräften wird eine Bewegung eines Translator-Magneten relativ zu einem Stator-Magneten hervorgerufen. Diese Bewegung kann eine am Stator vorbei gerichtete, lineare oder rotative Bewegung des Translator-Magneten oder eine zum Stator-Magneten gerichtete, oszillierende Bewegung des Translator-Magneten sein. Magnetantriebe nach dem Stand der Technik, welche auf der letzteren Bewegung des Translator-Magneten beruhen, zeichnen sich dadurch aus, dass der Translator- Magnet zumindest in einer Endposition mit dem Stator-Magnet in Kontakt stehen. Bei Magnetantrieben nach dem Stand der Technik wirken der Translator in seiner Endposition und der Stator als ein Magnet, sodass der Stator und der Translator nur durch einen hohen Energieaufwand getrennt werden können. JP2006325381 offenbart eine Magnetvorrichtung mit zumindest einen Translator, welcher zwischen zumindest zwei Statoren bewegbar ist, wobei sich die Bewegungsachse des Translators durch die Statoren verlaufend erstreckt. Die Bewegung des Translators wird durch an den Statoren vorgesehenen Distanzelement begrenzt. Die Distanzelemente dienen zur Reduktion von Geräuschen des Stromgenerators und von mechanischen Geräuschen hervorgerufen beispielsweise durch den Kontakt von Stator und Translator.
JP2006345652 beschreibt eine Vorrichtung zur Steuerung einer Bewegung einer durch einen Magneten geführten Nadel. Es findet sich kein Hinweis auf eine Steuerung der Bewegung der Nadel in Bezug auf den durch einen Magneten hervorgerufenen Kräftezustand.
US20060049701 zeigt eine Magnetvorrichtung, wobei die Bewegungsachse der Translatoren sich nicht durch die Statoren erstreckt. Die Translatoren werden seitlich an den Statoren vorbei bewegt, woraus sich ergibt, dass der sich zwischen Statoren und Translator ergebene Kräftezustand nicht parallel zu der Translator- Bewegungsrichtung orientiert ist. Ungeachtet des Fehlens eines Hinweises der Steuerung der Translator-Bewegung in Bezug auf den sich zwischen Translator und Stator ergebenden Kräftezustand, hat die in US20060049701 offenbarte Vorrichtung wegen der Ausrichtung des Kräftezustand es im Vergleich zu der Translator- Bewegung einen deutlich geringeren Wirkungsgrad als die im folgenden diskutierte Vorrichtung.
JP2010104078 beschreibt eine Magnetvorrichtung, wobei die Translator-Bewegung durch ein Distanzstück gesteuert wird. Das Distanzstück weist eine Form auf, welche den zwischen Stator und Translator ergebenden Kräftezustand nicht durch seine Anwesenheit beeinträchtigt.
RO126256 betrifft eine Magnetvorrichtung, welche im Vergleich zu der im Folgenden diskutierten Magnetvorrichtung keine Steuervorrichtung zur Steuerung der Translator-Bewegung umfasst.
JP2002335662 offenbart eine Magnetvorrichtung, welche ebenfalls keine Steuervorrichtung zur Steuerung der Translator-Bewegung umfasst.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Magnetvorrichtung, insbesondere einen Magnetantrieb, einen Generator oder ein Widerstandselement bereitzustellen, welche sich durch einen höheren Wirkungsgrad als die nach dem Stand der Technik bekannten Elektromagnetmotoren auszeichnen.
Im Folgenden wird aus Gründen der Vereinfachung der Translator-Magnet kurz Translator, der Stator-Magnet als Stator bezeichnet. Erfindungsgemäß wird ein hoher Wirkungsgrad der Magnetvorrichtung dadurch erreicht, dass die Magnetvorrichtung eine Steuervorrichtung umfasst, welche Steuervorrichtung eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abstandes r>0 (in Worten: r größer Null) des Translators zum Stator bei Betrieb der Magnetvorrichtung in Bezug auf den sich zwischen Stator und Translator ergebenden Kräftezustand umfasst, der Translator in der Translator-Bewegungsrichtung entlang einer linear verlaufenden Translator-Bewegungsachse relativ zum Stator bewegbar ist, wobei der zumindest eine Stator und der Translator entlang der Translator-Bewegungsachse ausgerichtet sind.
Durch die erfindungsgemäße Beabstandung von Translator und Stator mit einem minimalen Abstand r>0 wird vermieden, dass Translator und Stator als ein Magnet wirken.
Der Abstand r ist im Rahmen der Offenbarung dieser Erfindung definiert als der Abstand zwischen der dem Stator zugewandten Oberfläche des Tanslators und der dem Translator zugewandten Oberfläche des Stators. Der Stator und der Translator können einen Magnetteil und eine den Magnetteil umhüllende Schicht oder ein einen Kontakt der Magnetteile von Stator und Translator unterbindendes Distanzstück umfassen, sodass im Falle dieser Ausbildung des Stators oder des Translators bei einem Abstand r=0 der Stator und der Translator, jedoch nicht die Magnetteile des Stators und des Translators kontaktieren. Der Abstand r kann durch die Steuervorrichtung weiters in Abhängigkeit der temporären Eigenschaften der Magnete gesetzt werden. Die temporären Eigenschaften der Magnete können sich einerseits durch externe Einflüsse wie Wärmebelastung verändern, andererseits durch weitere Steuervorrichtungen gesteuert werden. Beispielsweise ist die Feldstärke eines Magnetfeldes sowie die Ausrichtung des Magneten durch Methoden nach dem Stand der Technik steuerbar. Weiters haben unter Verweis auf die gängige Lehre die Materialwahl sowie die Kombination von Materialien einen Einfluss auf die Eigenschaften eines Magneten. Die von der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung umfasste Steuervorrichtung kann den Abstand r in Bezugnahme auf die oben erwähnten Einflüsse und Eigenschaften der Magnete des zumindest einen Stators oder des zumindest einen Translators steuern.
Bei einer Versuchsanlage betrug der minimale Abstand r 1 ,0mm bis 2,0mm. Die Versuchsanlage ist so konfigurierbar, dass der Abstand stufenlos einstellbar ist, sodass Versuche mit jedem Abstand im Bereich von 1 ,0 bis 2,0mm durchgeführt wurden.
Die Achse, entlang welcher der Translator und der Stator angeordnet sind, kann eine polygonale, eine in Teilbereichen gekrümmte oder eine in anderen Teilbereichen gerade verlaufende Form aufweisen.
Bei einem auch nur kurzzeitigem Kontakt oder bei hinreichend kleiner Annäherung zueinander von Stator und Translator würden diese nach gängiger Lehre als ein Magnet wirken, sodass - um eine oszillierende Bewegung des Translators zu ermöglichen - dieser durch eine zusätzliche Trennungsenergie getrennt werden muss. Es ist auch Aufgabe der hier offenbarten Erfindung, eine Magnetvorrichtung bereitzustellen, welche sich dadurch auszeichnet, dass Stator und Translator bei Betrieb der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung nie in Kontakt miteinander treten und somit - unter Bezugnahme auf die gängige Lehre - zu keinem Zeitpunkt des Gebrauches der Magnetvorrichtung als ein Magnet wirken. Dies erlaubt einen Betrieb ohne diese zusätzliche Trennungsenergie bei Bewegung des Translators in Richtung vom Stator weg.
Die Erfindung schließt nicht aus, dass der Translator und der Stator bei NichtGebrauch der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung in Kontakt zueinander stehen. Die Magnetvornchtung ausgebildet als ein Magnetantrieb kann mit einer bei Gebrauch des Magnetantriebes in Bewegung zu versetzende Schwungmasse gekoppelt sein, welche eine unterschiedliche Beschleunigung des Translators auf der Translatorwegstrecke ausgleicht. Es ist hier ein Schwungrad nach dem Stand der Technik beispielhaft erwähnt.
Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung umfasst zumindest einen Stator und einen relativ zum Stator beweglichen Translator. Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad umfasst zwei Statoren und einen zwischen den Statoren beweglich gelagerten Translator. Im Sinne einer Aneinanderreihung von Antrieben kann der erfindungsgemäße Magnetantrieb eine Vielzahl n=1 ,2,3,... von Statoren und n-1 zwischen den Statoren beweglich gelagerten Translatoren umfassen.
Eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung kann sein, dass zumindest ein Stator, vorzugsweise zwei Statoren in beispielsweise einem Mittelpunkt der Achse und zumindest ein Translator, vorzugsweise zwei Translatoren auf der Achse an beiden Seiten des Stators angeordnet sind.
Eine erfindungsgemäße Magnetvorrichtung kann in Kombination mit einer weiteren erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung und/oder in Kombination mit einer Magnetvorrichtung nach dem Stand der Technik stehen. Die Bewegung des Translators relativ zum Stator kann eine oszillierende Bewegung sein.
Die oszillierende Bewegung des Translators ist stets relativ zu einem Stator. Die Bewegung des Translators unter Ausnutzung der durch das zwischen Stator und Translator wirkende magnetische Dipol hervorgerufene Anziehungskraft und Abstoßkraft hervorgerufen werden.
Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Magnetantrieb kann sich dadurch auszeichnen, dass der Translator oszillierend bewegt wird. Weiters kann die oszillierende Bewegung des Translators durch ein mechanisches Zwangssystem bewerkstelligt werden. Durch eine Koppelung des Translators mit einem mechanischem Zwangssystem wie beispielsweise einem Kurbeltrieb können die Amplituden der oszillierenden Bewegung des Translators begrenzt werden. Das mechanische Zwangssystem kann die unterschiedlichen oder die gleichen Magnetfeldstärken und den Einfluss dieser auf die Bewegung des Translators ausgleichen. Die im folgenden beschriebene Erfindung basiert auf Versuchen mit einer Versuchsanlage, welche mit Magneten mit unterschiedlichen Feldstärken oder mit Magneten mit gleichen Feldstärken betrieben wurde. Es konnten gute Erfahrungen bei einem Betrieb der Versuchsanlage mittels Magneten mit gleichen Feldstärken erzielt werden.
Das mechanische Zwangsystem kann eine weitere Bewegung des Translators in einer Endposition erzwingen und den Translator so aus dem Magnetfeld des nächst liegenden Stators entgegen der zwischen einem Stator und dem Translator wirkenden Anziehungskräfte sowie der zwischen einem Stator und dem Translator wirkenden Abstoßungskräfte lösen.
Bei Gebrauch der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Widerstandselement verharrt der Translator in einem definierten Abstand zu Stand über eine definierte Zeitspanne. Die folgende Diskussion beschäftigt sich mit der Entstehung einer magnetischen Polarisierung oder Magnetisierung eines Materials aufgrund des Magnetfeldes H, das ein zusätzliches magnetisches Feld J bewirkt. Weiters wird jene Distanz des Translators zum Stator in der Endposition der Bewegung des Translators abgeleitet, in welcher Position die Anziehungskraft beziehungsweise die Abstoßungskraft zwischen Stator und Translator maximal ist.
Die im folgenden getroffenen Vereinfachungen sollen den Schutzumfang keinesfalls beschränken, sondern wurden ausschließlich durchgeführt, um die hier diskutierte Materie besser verständlich zu machen. Im folgenden wird ein Magnetantrieb betrachtet, welcher zwei an einer Achse angeordnete Statoren und einen zwischen den Statoren, entlang der Achse bewegbaren Translator umfasst. Die Statoren und der Translator können um diese Achse als rotationssymmetrische Körper ausgebildet sein. Unter der magnetischen Anregung durch das Feld H wird der ferromagnetische Kern magnetisiert und bewirkt ein zusätzliches Magnetfeld M. Die Magnetfelder M und H resultieren in dem Magnetfeld B, wobei sämtliche Magnetfelder in der Gleichung in einen Zusammenhang gebracht sind.
Ein magnetisches Feld, Magnetisierung und eine magnetische Induktion können im allgemeinen durch die Gleichung 1 .1 . ausgedrückt werden.
Figure imgf000009_0002
wobei für J gilt
Figure imgf000009_0003
Durch Zusammenschau von Gleichung (1 .1 ) und Gleichung(1 .2) ergibt sich
Figure imgf000009_0004
Die volumetrische magnetische Suszeptibilität ist durch die folgende Beziehung definiert
Figure imgf000009_0005
woraus die magnetische Induktion resultiert aus der Magnetisierung mal der magnetischen Feldstärke
Figure imgf000009_0001
oder
Figure imgf000009_0006
wobei
-
Figure imgf000009_0007
H/m (Henry per meter) ist die magnetische Permeabilität des Raumes,
ist die volumetrische magnetische Suszeptilität des Materials, 'st die relative magnetische Permeabilität des Materials,
Figure imgf000009_0008
ist die absolute magnetische Permeabilität des Materials,
Figure imgf000009_0009
B ist die magnetische Induktion in Tesla (T)
H ist das magnetische Feld in Amperes per meter (A m)
J ist die Magnetisierung in Tesla (T)
M ist magnetische Dipolmoment per Volumeneinheit in Amperes per Meter (A/m)
Im folgenden wird eine zylindrische Schichtspule mit einem magnetischen Kern betrachtet, wobei die zylindrischen Geometrie zu der Vereinfachung nach dem Biot & Savart Gesetz führt.
Mit O als Zentrum der zylindrischen Spule und (Ox) als Achse ist die magnetische Induktion bei einem Punkt M(X) auf (Ox) Achse:
Figure imgf000010_0001
ist der Einheitsvektor der Achse (Ox)
μ ist die absolute magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Kerns N ist die Anzahl der vollständigen Wickelungen
L = 2a ist die Länge der Spule in Meter (m)
R ist der innere Radius der Spule in Meter (m)
/ ist die Stromflußstärke in Ampere (A) innerhalb der Spule
Auf den magnetischen Polenden (x = -a und x = +a ) ist die Induktionsfeldstärke nach Tesla wie folgt gegeben:
Figure imgf000010_0002
Aus der Gleichung (1 .6) leiten wir die magnetische Feldstärke an den elektromagnetischen Polenden in Amperes per Meter ab.
Figure imgf000011_0001
wobei sich aus den Gleichungen (1 .4.) und (1 .6.) wir das magnetische Zwei olmoment in A m ergibt:
Figure imgf000011_0002
Schließlich kann das magnetische Zweipolmoment wie folgt ausgedrückt werden:
Figure imgf000011_0003
wobei V=KR2 L bekanntlich das Volumen des elektromagnetischen Kerns ist.
Nach dem bekannten Gilbert-Model entsprechen die magnetische Dipole den zwei magnetischen Ladungen , welche Dipole durch eine Distanz L
Figure imgf000011_0004
getrennt sind. Die positive magnetische Ladung ist mit der Nord-Polung, die negative magnetische Ladung mit der Süd-Polung verknüpft.
Das magnetische Dipolmoment ist vom Süd-Pol zum Nord-Pol orientiert.
Figure imgf000011_0006
mit
qm als die Größe der magnetischen Pole des Elektromagnetes in Amperemeter (A.m),
L als die Distanz zwischen den magnetischen Polen in Meter (m).
Durch Kombination der Gleichungen (2.5) und (2.6) erhält man
Figure imgf000011_0005
mit qm als die Größe der magnetischen Pole des Elektronmagnetes in Amperemeter (A.m),
χν als die volumetrische Suszeptibilität des Materials,
N als die Anzahl der vollständigen Wickelungen,
L = 2a als die Länge der Spule in Meter (m),
R als der innere Radius der Spule in Meter (m),
/ als die Stromstärke innerhalb der Spule in Ampere (A).
Im Weiteren wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetantriebes umfassend drei auf einer Achse ausgerichtete Elektromagnete betrachtet, wobei der erste und der zweite Elektromagnet unbeweglich gelagert sind und im folgenden als Statoren bezeichnet werden. Die Statoren sind an einer Achse angeordnet und durch eine Distanz d voneinander beabstandet. Die Statoren sind in Hinblick auf diese Offenbarung durch die folgenden Parameter hinreichend charakterisiert. als die Anzahl der Wickelungen auf der Spule des Stators,
- als die Länge des Stators in Meter (m), als der Radius der Spule des Stators in Meter (m),
als die Stromstärke innerhalb der Spule des Stators in Ampere (A), als die volumetrische magnetische Suszeptibilität des ferromagnetischen Kerns des Stators und
- als Distanz zwischen den beiden Statoren.
Figure imgf000012_0001
Der dritte Magnet ist beweglich auf einer durch die zwei Statoren definierten Achse und zwischen den zwei Statoren angeordnet. Der dritte Magnet wird im folgenden Translator genannt und ist durch die folgenden Parameter hinreichend bestimmt.
N* als die Anzahl der Wickelungen auf der Spule des Translators,
als die Länge des Translators in Meter (m),
R' als der Radius der Spule des Translators in Meter (m),
1* als die Stromstärke innerhalb der Translatorspule in Ampere (A), als die volumetrische magnetische Suszeptibilität des ferromagnetischen Kerns des Translators und
Figure imgf000013_0004
a|s ς)ίβ Wegstrecke, welcher der Translator bei Bewegung zwischen den Statoren zurücklegt.
Die Statoren sind mit einer Gleichstromquelle elektrisch verbunden,
Figure imgf000013_0003
wodurch sich ergibt, dass die betragsmäßige Stärke der magnetischen Pole in Absolutwerten gleich sind, jedoch die erwirkten Induktionsfelder in entgegengestzten Richtungen gerichtet sind.
Die Polung der Statoren und des Translators ist wie aus den Figuren 1 und 2 dem Fachmann ersichtlich zu wählen, um eine Bewegung des Translators zufolge einer Abstoßungskraft und einer Anziehungskraft, welche im folgenden durch den daraus resultierenden Kraftzustand beschrieben sind, zu erwirken.
In folgenden wird der resultierende Kräftezustand berechnet, welcher sich bei einer Polung der Statoren und des Translators gemäß der Darstellungen in Figur 1 einstellt. Die in Figur 1 gezeigte Polung des Translators wird auch als eine„negative" Polarisierung des Translators bezeichnet, d.h. dass das magnetische Dipolemoment ist in Richtung orientiert.
Figure imgf000013_0002
Unter Verwendung der Gleichung (2.5) gilt
Figure imgf000013_0001
Unter Verweis auf das Gilbert-Model wird angenommen, dass die zwischen den Magneten auftretenden Magnetkräfte wegen der stattfindenden Interaktion der magnetischen Ladungen in der Nähe der Pole der magnetischen Dipole entstehen. Die Interaktionskräfte zwischen den magnetischen Polen sind durch die Gleichung (3.3) gegeben.
Figure imgf000014_0001
wobei
- die Stärke des magnetischen Pols,
der Abstand der magnetischen Pole ist.
Die stattfindende Interaktion zwischen Statoren und Translator bewirken einen resultierenden Kraftzustand, welcher auf den Translator wirkt. Dieser resultierende Kraftzustand ist gleichgerichtet mit der (Ox)Achse und ist in die Richtung eox gerichtet (in Figur 1 von links nach rechts).
Unter Berücksichtigung von für die Translator-
Figure imgf000014_0003
Bewegungsdistanz zwischen den Statoren erhält man
Figure imgf000014_0002
mit als die Position des Translatormittelpunktes auf der
Figure imgf000014_0004
Achse (θχ) . Unter Verwendung des bekannten Gilbert Models kann der resultierende Kraftzustand durch die folgende Summierung der acht Interaktion zwischen den magnetischen Polen berechnet werden.
Bei gilt für die Anziehungsinteraktion zwischen dem linken Stator und
Figure imgf000014_0005
dem Translator bei einer Distanz gilt:
Figure imgf000014_0006
Figure imgf000015_0001
Bei gilt für die Abstoßungsinteraktion zwischen dem rechten Stator und dem Translator bei einer Distanz
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000016_0001
Der resultierende Kraftzustand auf den Translator ist die vektorielle Summe alle Interaktionen:
Figure imgf000016_0002
mit:
Figure imgf000017_0001
Weiters wird der resultierende Kräftezustand berechnet, welcher sich bei einer Polung der Statoren und des Translators gemäß der Darstellungen in Figur 2 einstellt. Die in Figur 2 gezeigte Polung des Translators wird auch als eine„positive" Polarisierung des Translators bezeichnet, d.h. dass das magnetische Dipolemoment ist in Richtung orientiert.
Figure imgf000017_0004
Aus Gleichung (3.1 ) und Gleichung (3.2) erhält man Gleichung (3.2')
Figure imgf000017_0002
Mit
Figure imgf000017_0003
als die aus der Interaktion zwischen Statoren und Translatoren hervorgehende Kraft mit einer Polarisation des Translators gemäß Figur 1 und
Figure imgf000017_0005
als die analoge Kraft bei einer Polarisation des Translators gemäß Figur 2 ergeben sich die folgendenen Beziehungen über die Interaktion zwischen den Polen:
Figure imgf000018_0001
Für die in Figur 1 dargestellten Bedingungen gilt unter Beachtung von
Νχ Anzahl der Wickelungen der Spule des Translators beziehungsweise des Stators,
L Länge des Stators beziehungsweise des Translators im Meter (m),
R Radius des Stators beziehungsweise des Translators im Meter (m),
» Stromstärke in Ampere (A) innerhalb der Spule des Translators beziehungsweise des Stators,
ist die magnetische Suszeptibilität des ferromagnetischen Kerns des Stators beziehungsweise des Translators,
Stator #1 ist so gepolt, dass gilt,
Figure imgf000018_0003
Stator #2 ist so gepolt, dass gilt.
Figure imgf000018_0004
Figure imgf000018_0002
mit
Figure imgf000019_0004
a\s die Richtung des magnetischen Dipolmomentes des Translators Diese Richtung ist durch die Richtung der
Figure imgf000019_0001
Wechselstromspannung lt innerhalb des Translators gegeben.
Figure imgf000019_0002
Bei gleichen Längen der Elektromagnete Ls = Lt = L Gleichung (3.6) kann wie folgt vereinfacht werden:
Figure imgf000019_0003
Die weitere Diskussion basiert auf der getroffenen Vereinfachung, dass die Polstärken der Magnete konstant sind, wenngleich in Realität bei einer Bewegung des Translators zwischen den Statoren das magnetische Induktionsfeld (öx) sich entwickelt.
Es gilt die Gleichung (4.1 a) (4.1 a) mit
Figure imgf000020_0004
als da totale Induktionsfeld an der Achse (θχ) bei einer Position
Figure imgf000020_0005
x , wenn der Translator eine Position
Figure imgf000020_0007
erreicht hat,
als das Induktionsfeld des ersten Stators auf der (θχ) Achse bei einer
Figure imgf000020_0006
Position x ,
als das Induktionsfeld des zweiten Stators auf der (θχ) Achse bei
Figure imgf000020_0008
einer Position x ,
als das Induktionsfeld des Translators auf der (θχ) Achse x bei
Figure imgf000020_0009
einer Position Xt . Die Größe des magnetischen Induktionsfeldes wurde bereits durch die Gleichung (2.1 ) definiert, woraus die Größe des magnetischen Induktionsfeldes zwischen erstem Stator und dem Translator ableitbar ist.
Figure imgf000020_0001
mit x als die Position auf der Achse (θχ) in Bezug welcher berechnet
Figure imgf000020_0003
wird,
x' als die Position auf der Achse (o2x) in Bezug welcher berechnet
Figure imgf000020_0002
wird x" als die Position auf der Achse (Tx) in Bezug welcher berechnet
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000021_0002
unter Verwendung Variablenänderungen ausgedrückt
Figure imgf000021_0003
werden:
Figure imgf000021_0004
Auf der (Ox) Achse ist das Induktionsfeld in der gleichen Richtung wie das magnetische Dipolmoment orientiert. Unter Berücksichtigung von:
Figure imgf000021_0005
mit
als Einheitsvektor für die Richtung der Achse (öx)
Figure imgf000021_0006
a\s die Richtung des magnetischen Dipolmomentes des
Translators,
erhält man
Figure imgf000021_0007
Die Richtung ist durch die Richtung der Wechselspannung It innerhalb des Translators gegeben. Durch Zusammenschau der Gleichungen 1 .4), (1 .6) und (2.5) erhält man:
Figure imgf000022_0001
Da gilt
Figure imgf000022_0002
wird Gleichung (3.6) zu:
Figure imgf000023_0001
mit: als die Translatorposition,
Figure imgf000023_0002
als die Translatorbewegungsstrecke,
Figure imgf000023_0003
als die Distanz zwischen den Zentren der Statoren.
Figure imgf000023_0004
Die magnetischen Polstärken werden unter Verwendung der Gleichungen (4.4a) für den ersten Stator, (4.4b) für den zweiten Stator und (4.4c) für den Translator berechnet. Die Berechnung der magnetischen Polstärken schließt die Berechnung des totalen magnetischen Induktionsfeldes an den Polen ein. Dies geschieht unter Verwendung der Gleichungen (4.2a) und (4.2b).
Die Gleichung (4.5) ist eine Funktion in Abhängigkeit der Position des Translators zwischen den Statoren. Der auf den Translator wirkende resultierende Kraftzustand setzt sich zusammen aus der zwischen dem ersten Stator und dem Translator wirkenden Abstoßungskraft und der zwischen dem zweiten Stator und dem Translator wirkende Anziehungskraft . Die Abhängigkeit der jeweiligen Kräfte sind in den unten anstehenden Figuren 3a, 3b, 3c dargestellt. Die obige mathematische Erörterung zeigt weiters, dass bei einer Position des Translators zu einem Stator die Anziehungskraft und - nach Umpolung des Stators oder des Translators - die Abstoßungskraft unterschiedlich groß sind.
Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung basiert darauf, dass durch die Polung von Stator oder Translator eine resultierender Kraftzustand, welcher auf den Translator wirkt und eine Bewegung dieses erwirkt, geschaffen wird.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung kann sein, dass der Stator als ein Permanentmagnet, der Translator als ein Elektromagnet ausgebildet sind. Diese Ausführungsform hat bei Verwendung der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Magnetantrieb den Nachteil, dass ein den Translator mit einer Stromversorgung verbindende Kabel in zumindest Teilbereichen wegen der mechanischen Koppelung mit dem Translator einer Bewegung unterliegt. Bei der Verwendung von n=1 ,2,3,.. Statoren und n-1 zwischen den Statoren angeordneten Translatoren bedingt die Ausbildung der Translatoren als Elektromagnete jedoch, dass n-1 Translatoren kleiner als n Statoren umgepolt werden.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung kann sein, dass der Stator als ein Elektromagnet, der Translator als ein Permanentmagnet ausgebildet sind. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung bei Verwendung als Magnetantrieb zeichnet sich dadurch aus, dass der Stator als nicht beweglicher Magnet mit einer Stromversorgung gekoppelt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Stromversorgung und den Stator verbindenden Kabeln keine Bewegung erfahren. Bei der Verwendung von n=1 ,2,3,.. Statoren und n-1 zwischen den Statoren angeordneten Translatoren bedingt die Ausbildung der Statoren als Elektromagnete jedoch, dass n Statoren größer als n-1 Translatoren umgepolt werden.
Es können Stator und Translator als Elektromagnete oder als Permanentmagnete ausgebildet sein. Die Ausbildung des zumindest einen Stators und des Translators als Permanentmagnet betrifft den Anwendungsfall des Widerstandselementes. Es wird hierbei die Bewegung des Stators durch Aktivierung von Abstoßungskräften zwischen gleichgepolten Polen von Stator und Translator begrenzt. Eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung kann sein, dass der Stator aus mehreren Stator-Einzelmagneten und/oder der Translator aus mehreren Translator-Einzelmagneten besteht.
Vorzugsweise sind die Einzelmagnete so angeordnet, dass durch eine Superposition der einzelnen Magnetfelder eine größere Anziehungskraft beziehungsweise Abstoßungskraft, welche zwischen den Statoren und dem Translator wirkt, geschaffen wird.
Die Steuervorrichtung kann ein zwischen dem Stator und dem Translator positioniertes Distanzelement und/oder ein die Bewegung des Translators begrenzendes mechanisches Zwangssystem umfassen. Das Distanzelement kann einen Schalter umfassen, durch welchen ein Wechsel der Polarität des Stators und/oder des Translators und/oder eine Veränderung der Polstärke des Stators oder des Translators aktiviert wird.
Die Steuervorrichtung kann eine Distanzmessvorrichtung und/oder eine Zeitmessvorrichtung umfassen, mittels welcher Steuervorrichtung in Abhängigkeit der Position des Translators relativ zu dem Stator und/oder in Abhängigkeit einer Zeitperiode die Polarisation des Stators und/oder des Translators und/oder die Feldstärke des Stators und/oder des Translators änderbar ist.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung umfasst zumindest eine Steuereinheit, welche die Position des Translators relativ zum Stator steuert. Diese Steuervorrichtung ist mit einer Positionsmessvorrichtung gekoppelt, welche die Position des Translators gegebenenfalls in Bezugnahme zu einem Stator durch Messmethoden, insbesondere Distanzmessmethoden und Positionsmessmethoden nach dem Stand der Technik misst, und gegebenenfalls in Bezugnahme auf die Position des Translators relativ zu dem Stator die Polung des Stators oder des Translators setzt.
Die Steuervorrichtung ist keinesfalls auf die Messung einer bestimmten Position des Translators oder das Feststellen des Erreichens einer bestimmten Position durch den Translator beschränkt. Die Steuervorrichtung kann weitere Vorrichtungen wie beispielsweise Positionsmessmittel oder Geschwindigkeitsmessmittel zur Messung der Position des Translators oder der Geschwindigkeit des Translator an einer beliebigen Position des Translators umfassen.
Die Messung von Position und Geschwindigkeit des Translators an einer beliebigen Position kann in Bezugnahme auf die Steuerung der Bewegung des Translators an einer Position mit einem definierten Abstand zum Stator insbesondere bei einer hohen Geschwindigkeit des Translators von Vorteil sein, zumal der Translator an einer bestimmten Position mit einem definierten Abstand zum Stator abgebremst und beschleunigt werden muss. Die Bestimmung der Position des Translators ist keinesfalls auf die Messung einer Position des Translator relativ zum Stator beschränkt. Die Bestimmung der Position des Translators kann zu einem beliebigen Bezugpunkt erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Translator mit einem mechanischen Zwangssystem wie beispielsweise eine Kurbelwelle gekoppelt ist, durch welches Zwangssystem die Bewegung des Translators, im genaueren die maximalen Bewegungsamplituden des Translators unter Wahrung der Beabstandung des Translators vom Stator gesteuert werden. Das mechanische Zwangssystem kann mit einem durch die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung anzutreibendes Element wie beispielsweise ein Rad gekoppelt oder als dieses ausgebildet sein.
Bei einer linearen Bewegung des Translators ist eine mögliche Anordnung, dass die Stator-Einzelmagnete am Stator und/oder die Translator-Einzelmagnete am Translator entlang einer ein Polygon beschreibenden Linie um eine zu der Translator-Bewegungsrichtung parallel orientierten Polygonachse angeordnet sind. Die Translator-Bewegungsrichtung und die durch die jeweiligen Magnetfelder aktivierten Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte sind parallel zu einander orientiert.
Bei einer rotatorischen Bewegung des Translators ist eine mögliche Anordnung der Stator-Einzelmagnete und/oder die Translator-Einzelmagnete, dass diese am Stator beziehungsweise am Translator entlang einer ein Polygon beschreibenden Linie um eine zu der Translator-Bewegungsrichtung parallel orientierten Achse angeordnet sind.
Die jeweilige Translator-Bewegungsrichtung und die durch die jeweiligen Magnetfelder aktivierten Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte sind parallel zu einander orientiert.
Der Translator kann durch zumindest eine Führungseinheit relativ zum Stator beweglich gelagert sein, wobei die Führungsachse der Führungseinheit den Stator in einem Bereich zwischen zwei unmittelbar benachbarten Stator-Einzelmagneten und den Translator in einem Bereich zwischen zwei unmittelbar benachbarten Translator- Einzelmagneten schneidet.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Führungseinheit ist das Magnetfeld des jeweiligen Einzelmagneten nicht durch die Anwesenheit der Führungseinheit gestört.
Ein sich zwischen dem Stator und dem in der Position mit dem größten Abstand d zum Stator befindlichen Translator erstreckendes Volumen kann ein Vakuum sein.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Vakuums oder eines Bereiches mit reduziertem Luftdruck wird der gegen eine Bewegung des Translators wirkende Luftwiderstand reduziert. Zur Ausbildung des Vakuums ist die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung in einem luftdichten Gehäuse angeordnet, wobei die Antriebsachse, die Stromkabel et cetera durch dieses Gehäuse geführt sind.
1 Stator
2 Translator
3 Antriebsachse 4 Stator-Einzelmagnete
5 Translator-Einzelmagnete
6 Translator-Bewegungsrichtung
7 Führungseinheit
8 Führungsachse
9 Achse
10 Polygon
1 1 Strom kabel
12 Anziehungskraft
13 Abstoßungskraft
14 Statorträger
15 Trägerkonstruktion
16 Position Stator
17 Scheibe
18 Scheibenmittelpunkt
19,19' Stab
20,20' Magnetantrieb
21 Berechnungsbereich
22 Kern
23 Spule
Figur 1 und Figur 2 zeigen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Magnetantrieb 20 samt der in der Beschreibung verwendeten Variablen.
Figuren 3a-3c zeigen Diagramme betreffend der Größe der auf den Translator wirkenden Kräfte in Abhängigkeit der Distanz der Position des Tranlators zu den Statoren.
Figur 4 und Figur 5 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Magnetantrieb.
Figur 6 zeigt eine weitere, zu der in Figur 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ähnliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Magnetantrieb. Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung Magnetantrieb.
Figur 8 veranschaulicht eine mögliche Koppelung mehrerer Magnetantriebe mit einer anzutreibenden Welle.
Figur 9 bis Figur 1 1 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Magnetantrieb.
Figur 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Widerstandselement.
Figur 13 zeigt eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung.
Figur 14 zeigt eine Ansicht von oben gleich einer Ansicht von unter der in Figur 13 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung.
Figur 15 zeigt ein seitliches Schnittbild der in Figur 13 bis Figur 14 gezeigten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung.
Figur 16 zeigt die Anordnung der Elemente im Rahmen einer FEM-Simulation der in den Figuren 13 bis 15 gezeigten Magnetvorrichtung.
Figur 17 bis Figur 18 zeigt das Ergebnis der FEM-Simulation.
Figur 19 und Figur 20 zeigt Diagramme zu der FEM-Simulation.
Figur 1 und Figur 2 zeigen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Magnetantrieb 20 samt der in der Beschreibung verwendeten Variablen. Der Magnetantrieb 20 umfasst einen Translator 2 und seitlich zum Translator 2 angeordnete Statoren 1 , 1 '. Die Statoren 1 , 1 ' und der Translator 2 sind Elektromagnete, die entlang einer Achse - in der in Figur 1 und Figur 2 gezeigten bespielhaft gezeigten Ausführungsform entlang der Antriebsachse des Translators 3 - ausgerichtet sind. Das dipolare Moment der Statoren 1 ,1 ' und des Translators 2 ist zu dieser Achse parallel ausgerichtet.
Zur alternierenden Polung des Translators 2 ist dieser über ein Stromkabel 1 1 mit einer nicht dargestellten Wechselstromquelle verbunden, während die Statoren 1 , 1 ' mit jeweils weiteren Stromkabeln 1 1 mit einer nicht dargestellten Gleichstromquelle verbunden sind. Die Polung des Translators 2 ist so gesetzt, dass die dem linken Stator 1 zugewandte Polung des Translators 2 eine gleiche Polung zum näheren Pol des linken Stators 1 aufweist, wodurch eine Abstoßungskraft 13 zwischen dem linken Stator 1 und dem Translator 2 aktiviert wird; der dem rechten Stator V zugewandte Pol des Translators 2 weist eine unterschiedliche Polung zum näheren Pol des rechten Stators V auf, wodurch eine Anziehungskraft 12 zwischen dem linken Stator 1 und dem Translator 2 aktiviert wird. Die Anziehungskraft 12 und Abstoßungskraft 13 wirken auf den Translator 2 und bewirken als resultierender Kraftzustand eine Bewegung des Translators 2 in der in Figur 1 dargestellten Translator- Bewegungsrichtung 6 von links nach rechts, wobei die Translator- Bewegungsrichtung 6 zum Stator 1 gerichtet orientiert ist. Die nach Umpolung des Translators 2 nachfolgend stattfindende Bewegung des Translators 2 in Translator- Bewegungsrichtung 6 von rechts nach links ist in Figur 2 dargestellt.
Bei Betrieb des Magnetantriebes 20 weist der Translator 2 stets einen definierten Abstand r größer als Null zum Stator 1 auf. Dieses Merkmal (siehe kennzeichnender Teil des Anspruches 1 ) ist ein Kontakt des Translators 2 mit einem Stator 1 , 1 ' bei Betrieb des erfindungsgemäßen Magnetantriebes 20 ausgeschlossen. Der Abstand r ist definiert als jener Abstand zwischen den einander zugewandten Polenenden des Translators 2 und des jeweiligen Stators 1 , 1 '. Bei einer linearen Bewegung des Translators 2 in die Translator-Bewegungsrichtung 6 nach links erreicht der Translator 2 die Position 16. Die Position 16 ist eine Endposition der linearen Bewegung des Translators 2 und ist dadurch charakterisiert, dass der Translator 2 zum linken Stator 1 einerseits den kleinsten definierten Abstand r2, andererseits zum rechten Stator V den größten definierten Abstand n aufweist. Die Abstände n und r2 sind so definiert, dass nach Umpolung des Translators 2 zur Durchführung einer nachfolgenden in Figur 2 dargestellten Translatorbewegung von rechts nach links die auf den Translator 2 wirkende, sich durch die gleiche Polung der unmittelbar benachbarten Pole von Translator 2 und linken Stator 1 ergebende Abstoßungskraft maximal ist. Der Abstand r wird durch eine Steuereinheit vorgegeben, durch welche Steuereinheit die Polung des als Elektromagnet ausgebildeten Translators 2 gewechselt wird. Bei Erreichen der Position 16 durch den Translator 2 erfolgt eine Umpolung des Translators 2', sodass der Translator 2 in eine zu der in Figur 1 dargestellten entgegengesetzten Bewegungsrichtung bewegt wird. Durch den Wechsel der Polarität der Statoren 1 , 1 ' werden zwischen dem Translator 2 und dem linken Stator 1 Abstoßungskräfte, zwischen dem Translator 2 und dem rechten Stator V Anziehungskräfte mit einem definierten Energieniveau aktiviert, wodurch eine in Figur 2 dargestellte Bewegung des Translators 2 von rechts nach links hervorgerufen wird.
Der Stator 1 wird durch einen Statorträger 14 auf einer Trägerkonstruktion 15 gehalten.
Der Translator 2 ist mit einer Antriebsachse 3 gekoppelt, welche in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform auch als Führungseinheit 7 des Translators dient. Die Führungsachse 8 der Führungseinheit 7 ist parallel zu der Translator- Bewegungsrichtung 6 orientiert. Die Führungseinheit 8 verläuft durch die Statoren 1 , V und durch den Translator 2, wobei das jeweilige Magnetfeld der Statoren 1 , 1 ' und des Translators 2 durch die Anwesenheit der Führungseinheit 8 in den jeweiligen Magnetfeldern gestört ist. Das Volumen, welches sich zwischen den Statoren 1 , 1 ' erstreckt, ist ein Vakuum. Der Magnetantrieb 20 ist hierzu in einem nicht dargestellten Gehäuse situiert.
Der in Figur 3a offenbarte Graph zeigt die Abhängigkeit der Abstoßungskraft 13 zwischen Translator 2 und dem linken Stator 1 bei einer Bewegung des Translators 2 gemäß Figur 1 . In Figur 3a sowie in den Figuren 3b und 3c ist die Beabstandung des Translators 2 von dem jeweiligen Stator 1 ,1 ', die zwischen dem Translator 2 und dem Stator 1 ,1 ' wirkende Kraft auf der Ordinate aufgetragen. Die in den Figur 3a, 3b und 3c offenbarten Graphen liegen einer Berechnung gemäß der im Beschreibungstext offenbarten Gleichungen mit den folgenden Annahmen zu Grunde:
Figure imgf000031_0001
Figure imgf000032_0001
- die Translatorbewegung beträgt 3 = 0,04m
Der Translator 2 würde bei einer Position Xt = 0,04m in Kontakt mit dem linken Stator
1 stehen. Der Verlauf des y-Wertes des in Figur 3a gezeigten Graphen nähert sich dem Wert 0 an. Der Maximalwert der Abstoßungskraft 13 tritt bei einem Abstand ε auf. Vorzugsweise wird die Position 16 des Translators 2 durch die Steuereinheit so gesetzt, dass der Nullpunkt des Translators 2 einen Abstand £min zum Nullpunkt des unmittelbar benachbarten Stator 1 , 1 ' aufweist.
Der in Figur 3b gezeigte Graph betrifft die Abhängigkeit der Anziehungskraft 13 von der Beabstandung des Translators 2 zum rechten Stator V gemäß Darstellung in Figur 1 . Es gilt allgemein, dass die Anziehungskraft 13 mit zunehmender Annäherung des Translators 2 zum rechten Stator 1 ' größer wird.
Figur 3c zeigt den aus den Graphen aus Figur 3a und Figur 3b resultierenden Graphen. Der in Figur 3c offenbarte Graph zeigt somit den sich aus dem Verlauf der Abstoßungskraft 13 und der Anziehungskraft 12 ergebenden resultierend Kraftzustand in Abhängigkeit der Position des Translators 2 zwischen den Statoren 1 , 1 ', wobei der resultierende Kräftezustand in Richtung parallel zu der Achse, in Bezugnahme auf Figur 1 und Figur 2 parallel zu der Bewegungsachse 3 betrachtet wird.
Figur 4 und Figur 5 zeigen eine weitere, zu der in Figur 1 und Figur 2 ähnliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Magnetantriebes 20. Im Unterschied zu der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist bei der in Figur 3 dargestellten weiteren Ausführungsform bleibt die Polung des Translators 2 bei einer Bewegung des Translators 2 gleich, während die Polung der Statoren 1 , 1 ' gewechselt wird.
Figur 6 zeigt eine zu der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ähnliche Ausführungsform, welche im Unterschied zu der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform zwei Führungseinheiten umfasst. Vorteilhaft gegenüber der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist das zwischen den Statoren 1 , 1 ' und dem Translator 2 wirkende Magnetfeld nicht durch die Anwesenheit der Führungseinheit 7 gestört.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetantriebes 20, wobei der Translator 2 rotativ bewegt wird. Der Magnetantrieb 20 umfasst vier segmentartig ausgeformte Translatoren-Einzelmagnete 5, welche in Form eines Kreises 10 um eine Antriebsachse 3 und eine Translator-Drehachse und rechtwinkelig zu dieser angeordnet. Die Translator-Einzelmagnete 5 sind mit der Antriebsachse 3 über Führungseinheiten mechanisch gekoppelt sind, sodass die Translator-Einzelmagnete 5 einen Translator 2 bilden. In den Bereichen zwischen den Translatoren-Einzelmagneten 5 sind vier, ebenfalls segmentartig ausgeformte Stator-Einzelmagnete 4 angeordnet, die durch eine nicht dargestellte mechanische Koppelung zu einem Stator 1 gekoppelt sind.
Gemäß obiger Offenbarung sind die einander zugewandten Pole der Stator- Einzelmagnete 4 und der Translator-Einzelmagnete 5 unterschiedlich oder gleich gepolt.
Bei einer rotativen Bewegung des Translators 2 bei Gebrauch des Magnetantriebes 20 ist dieser stets vom Stator 1 beabstandet, wobei die rotative Bewegungsrichtung 6 eines Translator-Einzelmagneten 5 stets zu einem Stator-Einzelmagneten 4 gerichtet ist. Figur 8 zeigt die Koppelung eines ersten erfindungsgemäßen Magnetantriebes 20 mit einem zweiten erfindungsgemäßen Magnetantrieb 20'. Die mechanische Koppelung der Magnetantriebe 20, 20' erfolgt über eine Scheibe 17, welche um einen Scheibenmittelpunkt 18 drehbar gelagert ist. Zwischen der Scheibe 17 und den Magnetantrieben 20,20' ist aus geometrischen Gründen jeweils ein Stab 19 vorgesehen, welcher an seinen einen Ende mit der Scheibe 17 in Bezugnahme auf den Scheibenmittelpunkt 18 exzentrisch, an seinem anderen Ende mit dem jeweiligen Magnetantrieb 20,20' gelenkig verbunden ist.
Die Magnetantriebe 20,20' sind in Bezugnahme auf den Scheibenmittelpunkt 18 ortsfest gelagert, sodass durch die durch die Magnetantriebe 20,20' erzeugte lineare Bewegung eine Rotationsbewegung der Scheibe 17 hervorgerufen wird. Durch die exzentrische Lagerung des Stabes 19,19' wird die lineare Bewegung des Translators 2 (in Figur 8 nicht dargestellt) des Magnetantriebes 20,20' mechanisch gesteuert.
Figur 9 bis Figur 1 1 zeigen Ansichten einer Ausführungsform eines Magnetantriebes, welcher sich durch die Anordnung mehrerer Stator-Einzelmagnete 4 an den Statoren 1 ,1 ' und mehrerer Translator-Einzelmagnete 5 an dem Translator 2 auszeichnet, sowie Detailansichten des Translators 2 und des Stators 1 ,1 '.
Figur 9 zeigt eine Ansicht von oben der in Figur 9 bis 1 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetantriebes. Der Magnetantrieb umfasst 2 Statoren 1 ,1 ', welche entlang einer Achse 9 angeordnet sind. Es sind weiters zwei Führungseinheiten 7 angeordnet, durch welche der zwischen den Statoren 1 ,1 ' situierte Translator 2 relativ zu den Statoren 1 ,1 ' bewegbar gelagert ist. Der Translator 2 ist weiters mit einer Antriebsachse 3 gekoppelt, welche sich durch die Statoren 1 ,1 ' zu einem anzutreibenden Element (nicht dargestellt) erstreckt. Die Trägerkonstruktion 15 dient als Lagerung für die Achse 9 und die Antriebsachse 3.
Figur 10 zeigt eine Seitenansicht des Stators 1 der in Figur 9 bis Figur 1 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetantriebes. Der Stator 1 umfasst fünf Stator-Einzelmagnete 4, welche rotationssymmetrisch um die Antriebsachse 3 angeordnet sind. Die Stator-Einzelmagnete 4 sind jeweils gegenüberliegend den Translator-Einzelmagneten 5 angeordnet.
Figur 1 1 zeigt eine Seitenansicht des Translators 2. Der Translator 2 umfasst mehrere Translator-Einzelmagnete 5, welche um die normal auf die Betrachtungsebene verlaufende Antriebsachse 3 entlang eines Polygons 10 rotationssymmetrisch angeordnet sind. Die Translator-Einzelmagnete 5 sind einerseits an der Antriebsachse 3, andererseits an einem Translatorträger 21 durch ein Translatorlager 22 gelagert. Die Translatorlager 22 sind mit einem möglichst kleinen Querschnitt ausgebildete Stege.
Figur 12 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetantriebes als Widerstandselement. Der Aufbau ist prinzipiell ähnlich zu den oben geschilderten Ausführungsformen, wobei jedoch die Statoren 1 ,1 ' in Bezugnahme zum Translator 2 so gepolt sind, dass Anziehungskräfte 12 und Abstoßungskräfte 13 zwischen den Polen des Translators 2 und der Statoren 1 ,1 ' aktiviert werden. Der Translator 2 ist somit bei Beschleunigung durch eine über die Antriebsachse 3 auf den Translator 2 wirkende externe Kraft zwischen den Statoren 1 ,1 ' auf einer Wegstrecke bewegbar.
Figur 13 zeigt eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung. Die Magnetvorrichtung umfasst einen zwischen zwei Translatoren 2 angeordneten Stator 1 , wobei der Stator 1 und der Translatoren 2 innerhalb einer zu einem Gehäuse ausgeformten Trägerkonstruktion 15 angeordnet sind. Außerhalb der Trägerkonstruktion ist die Antriebsachse 3 angeordnet. Der Stator 1 und die Translatoren 2 sind entlang der Achse 9 angeordnet, durch welche Achse 9 die Translatorbewegungsrichtung 6 vorgegeben ist. Die Translatoren 2 sind mittels zwei Führungseinheiten 7 gelagert und werden durch diese Führungseinheiten 7 getragen, wobei die Führungsachsen 8 parallel zur der Translator-Bewegungsrichtung 6 orientiert sind. Die Führungseinheiten 8 sind seitlich der Translatoren 2 angeordnet, sodass die Führungseinheiten 8 das zwischen den Translatoren 2 und dem Stator 1 wirkende Magnetfeld nicht stören. Die Führungseinheiten 8 sind durch die Trägerkonstruktion 15 gehalten.
Die in Figur 13 gezeigte Magnetvorrichtung weist im wesentlichen die oben erwähnten Eigenschaften auf, sofern diese auf die in Figur 13 gezeigte Vorrichtung anwendbar sind. Die Translatoren 2 sind N45 Grade Magnete. Der Stator 1 ist ein Elektromagnet umfassend einen magnetischen Kern 22 und eine den Kern 22 umwickelnde Spule 23.
Figur 14 zeigt eine Ansicht von oben gleichsam einer Ansicht von unten der in Figur 13 gezeigten erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung. Die oben zu Figur 13 beschriebenen Merkmale sind im wesentlichen auf in Figur 14 ersichtlich.
Es ist in Figur 14 die Anordnung der Translatoren 2 und des Stators 1 sowie der Antriebsachse 3 entlang der Achse 9 erkennbar.
Der Stator 1 ist mittels eines Statorträgers 14 an der Trägerkonstruktion 15 gelagert. Der Kern 22 des Stators 1 erstreckt sich in Richtung der Achse 9 über die Trägerkonstruktion 15 hinaus, sodass das zwischen dem Stator 1 und den Translatoren 2 wirkende Magnetfeld nicht durch den Statorträger 14 gestört ist.
Die Form der Translatorträger 24, mittels welcher die Translatoren 2 an der Führungseinheit 7 gelagert sind, ist an die vom Fachmann erkennbare Momentenbelastung und an die durch unter anderem die oszillierende Bewegung der Translatoren 2 hervorgerufene Schwingungskräfte angepasst.
Es ist in Figur 15 ein Schnittbild der in den Figuren 13 und 14 gezeigten Magnetvorrichtung dargestellt. Zusätzlich zu den oben erwähnten Merkmalen ist ein Berechnungsbereich 21 eingetragen, für welchen mittels der Finite Elemente Methode (kurz: FEM) der Verlauf der Magentfeldstärken berechnet wurde. Um den Rechenaufwand zu minimieren, erstreckt sich der Berechnungsbereich 21 nur über eine Symmetriehälfte; die Symmetrieachse ist in Figur 15 mit der Achse 9 deckungsgleich. Die Ergebnisse der Berechnung mittels FEM (siehe Figur 17 und Figur 18) werden in den nachstehend Absätzen diskutiert.
Figur 16 zeigt eine Detaildarstellung der Symmetriehälfte, welche in den Berechnungen mittels FEM beobachtet wurde. Die Symmetrieachse und die Achse 9 sind wiederum deckungsgleich. Es sind die Symmetriehälften der Translatoren 2 in Figur 16 eingetragen. Der Stator 1 umfasst einen Kern 22 und eine Spule 23, wobei wiederum nur die jeweiligen Symmetriehälften eingetragen sind.
Es ist weiters das Berechnungsfeld 21 in Figur 16 eingetragen.
In Figur 17 und Figur 18 ist das Ergebnis der der Simulation mittels FEM dargestellt. Die FEM-Berechnung liegt der Vorgabe zu Grunde, dass der Stator als ein Elektromagnet mit 90 Ampere, die Translatoren 2 als N45 Grade Permanentmagnete mit 1050kA/m ausgebildet sind.
In Figur 17 wird die Position des Translators 2 in einem Abstand r=1 ,0mm zum Stator gezeigt. Wenngleich die zwischen dem Stator 1 und dem Translator 2 wirkende Abstoßungskraft 13 den Hauptteil der auf den Translator 2 wirkenden Translationskraft ausmacht, so wird auch eine Bewegung des Translators 2' durch die zwischen dem Translator 2' und dem Stator 1 wirkende Anziehungskraft 12 bewirkt.
Figur 18 zeigt das Ergebnis der Simulation mittels FEM bei einer Position der Translatoren 2 in einem jeweils gleichem Abstand zum Stator 1 .
Figur 19 zeigt ein Diagramm, in welchem die mittels FEM-Simulation berechnete Translationskraft mit der an der Versuchsanlage gemessenen Translationskraft verglichen wird. Bei Messung und Simulation wurde ein Translator mit einer permanenten Magnetisierung von 1050,0 kA/m in Betracht gezogen. Der Stator wurde zur Durchführung der Messung an der Versuchsanlage mit 90A beaufschlagt. Zur Durchführung der Simulation wurde eine Beaufschlagung des Stators mit 9A berücksichtigt, wobei die erhaltenen Werte auf eine Beaufschlagung mit 90A hochgerechnet wurden.
Aus dem Diagramm von Figur 19 ist klar erkennbar, dass die Simulation auf Basis der oben erörterten Theorie und die Messung im wesentlichen übereinstimmen.
Figur 20 vergleicht die mittels FEM-Simulation in Anlehnung an die obige Theorie berechnete Translationskraft bei unterschiedlicher Magnetisierung der als Permanentmagnete ausgebildeten Translatoren. In dem Diagramm ist die berechnete Translationskraft auf der y-Achse, die Position des Tanslators auf der x- Achse aufgetragen. Anhand des Diagramms von Figur 20 ist der Einfluss der Magnetisierung der als Permanentmagnete ausgebildeten Translatoren bei einer Beaufschlagung des Stators mit 9A, jedoch hochgerechnet auf eine Beaufschlagung mit 90A erkennbar. Der im Diagramm eingetragene Graph„simulierte Kraft [N]" ist eine Kurve wiedergebend den allgemeinen Verlauf der anderen Graphen des Diagramms. Der Graph„simulierte Kraft" ist auch in dem Diagramm der Figur 19 als „simulierte Kraft [N]" eingetragen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Magnetvorrichtung umfassend zumindest einen Stator (1 , 1 ') und zumindest einen Translator (2), welcher Translator (2) relativ zum Stator (1 , 1 ') in einer Translator-Bewegungsrichtung (6) bewegbar ist, welche Translator- Bewegungsrichtung (6) zum Stator (1 , 1 ') gerichtet orientiert ist, wobei der zumindest eine Stator (1 , 1 ') und der Translator (2) entlang einer Achse ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die Magnetvorrichtung eine Steuervorrichtung umfasst, welche Steuervorrichtung eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abstandes r>0 (in Worten: r größer Null) des Translators zum Stator bei Betrieb der Magnetvorrichtung in Bezug auf den sich zwischen Stator und Translator ergebenden Kräftezustand umfasst,
der Translator (2) in der Translator-Bewegungsrichtung (6) entlang einer linear verlaufenden Translator-Bewegungsachse relativ zum Stator (1 ,1 ') bewegbar ist, wobei der zumindest eine Stator (1 ,1 ') und der Translator (2) entlang der Translator- Bewegungsachse ausgerichtet sind.
2. Magnetvorrichtung nach Anspruch 2 umfassend zwei Statoren (1 ,1 ') und einen Translator (2), dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Abstand r durch eine Steuereinheit unter Bezugnahme auf den sich zwischen dem Stator (1 ) und dem Translator (2) einstellenden Kräftezustand es gesetzt ist, sodass ein auf den Translator (2) wirkender resultierender Kraftzustand bei einer Position Xt des Translators (2) ein Maximum ist, wobei für den auf den Translator (2) wirkenden Kräftezustande folgende Beziehung gilt
Figure imgf000039_0001
mit
a\s die magnetische Polstärke der Statoren (1 ,1 ')
Figure imgf000039_0002
Figure imgf000040_0001
a\s die magnetische Polstärke des Translators (2), als die Position Xt des Translators,
Figure imgf000040_0002
Ls als die Länge der Statoren (1 ,1 '),
Lt als die Länge des Translators (2).
3. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -2 dadurch gekennzeichnet, dass Stator-Einzelmagnete (4) am Stator und/oder Translator-Einzelmagnete (5) am Translator (2) entlang einer ein Polygon (10) beschreibenden Linie um eine zu der Translator-Bewegungsrichtung (6) parallel orientierten Polygonachse angeordnet sind.
4. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, dass der Translator (2) durch zumindest eine Führungseinheit (7) relativ zum Stator (1 ) beweglich gelagert ist, wobei die Führungsachse (8) der Führungseinheit (7) den Stator (1 ) in einem Bereich zwischen zwei unmittelbar benachbarten Stator- Einzelmagneten (4) und den Translator (2) in einem Bereich zwischen zwei unmittelbar benachbarten Translator-Einzelmagneten (5) schneidet.
5. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Translators (2) relativ zum Stator (1 ,1 ') eine oszillierende Bewegung ist.
6. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1 ,1 ') als Permanentmagnet, der Translator (2) als Elektromagnet ausgebildet ist.
7. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1 ,1 ') als Elektromagnet, der Translator (2) als Permanentmagnet ausgebildet ist.
8. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1 , 1 ') und der Translator (2) als Permanentmagnet oder Elektromagnet ausgebildet ist.
9. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung ein zwischen dem Stator (1 ,1 ') und dem Translator (2) positionierbares Distanzelement umfasst.
10. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung ein die Bewegung des Translators (2) begrenzendes mechanisches Zwangssystem umfasst.
1 1 . Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung eine Distanzmessvorrichtung und/oder eine Zeitmessvorrichtung umfasst, mittels welcher Steuervorrichtung in Abhängigkeit der Position des Translators (2) relativ zu dem Stator (1 ,1 ') und/oder in Abhängigkeit einer Zeitperiode die Polarisation des Stators (1 ,1 ') und/oder des Translators (2) und/oder die Feldstärke des Stators (1 ,1 ') und/oder des Translators (2) änderbar ist.
12. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein sich zwischen dem Stator (1 ) und dem in der Position mit dem größten Abstand d zum Stator (1 ) befindlichen Translator (2) erstreckendes Volumen ein Vakuum ist.
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