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Die
Erfindung betrifft zunächst
einen Elektromotor mit einem Permanentmagneten und einem bewegbaren
Teil aus einem elektrisch leitfähigen
Material, welches bewegbare Teil um eine Achse dreht, wobei von
dem bewegbaren Teil ein leitender Kontakt zu einem feststehenden
Teil gebildet ist, wobei weiter das bewegbare Teil stromdurchflossen
ist und der Strom die Bewegung des bewegbaren Teils relativ zu dem
feststehenden Teil bewirkt.
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Weiter
betrifft die Erfindung einen Generator mit einem Permanentmagneten
und einem bewegbaren Teil aus einem elektrisch leitfähigen Material,
welches bewegbare Teil um eine Achse dreht, wobei von dem bewegbaren
Teil ein leitender Kontakt zu einem feststehenden Teil gebildet
ist, wobei weiter die Bewegung des bewegbaren Teils relativ zu dem
feststehenden Teil einen Stromfluss bewirkt.
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Elektromotoren
bzw. Generatoren der in Rede stehenden Art sind bekannt, so insbesondere in
Form sogenannter Unipolarmotoren bzw. -generatoren. Diese weisen
beispielsweise als bewegbares Teil eine leitfähige, kreisförmige Scheibe
auf, die senkrecht durchsetzt ist von einem Magnetfeld. Die Rotation
des bewegbaren Teiles, hier der kreisförmigen Scheibe, ist erreicht
bei Durchleiten eines Gleichstroms vom Mittelpunkt zum Kreisrand
der Scheibe, wobei eine Kontaktierung der Scheibe über Schleifkontakte
bzw. Bürsten
erfolgt. Wird die Scheibe aktiv gedreht, so wird im Generatorbetrieb über die
Kontaktierung ein Stromfluss erreicht.
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Im
Hinblick auf den zuvor beschriebenen Stand der Technik wird eine
technische Problematik der Erfindung darin gesehen, einen Elektromotor bzw.
einen Generator der in Rede stehenden Art insbesondere hinsichtlich
der elektrischen Kontaktierung des beweglichen Teiles weiter zu
verbessern.
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Diese
Problematik ist zunächst
und im Wesentlichen hinsichtlich des Elektromotors durch den Gegenstand
des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Generators durch den Gegenstand
des Anspruchs 2 gelöst,
wobei jeweils darauf abgestellt ist, dass das bewegbare Teil an
dem feststehenden Teil abwälzt und
der Abwälzkontakt
der Stromleitung dient. Zufolge dieser Ausgestaltung ist eine verbesserte
elektrische Kontaktierung des bewegbaren Teils sowohl bei einem
Elektromotor als auch bei einem Generator der in Rede stehenden
Art erreicht. Die elektrische Verbindung ist hierbei ohne schleifende Übergänge allein
durch Abwälzen
oder Abrollen des bewegbaren Teiles an dem feststehenden Teil bzw.
an dessen Kontaktbereichen hergestellt. Dies führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad.
Darüber
hinaus ist die elektrische Kontaktierung zufolge der erfindungsgemäßen Lösung annähernd verschleißfrei, im
Vergleich zu den bekannten Lösungen
mit Schleif- oder Bürstenkontakten
zumindest verschleißarm.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind nachstehend, auch in der Figurenbeschreibung,
oftmals in ihrer bevorzugten Zuordnung zum Gegenstand des Anspruchs
1 und/oder des Anspruches 2 oder zu Merkmalen weiterer Ansprüche erläutert. Sie
können aber
auch in einer Zuordnung zu nur einzelnen Merkmalen des Anspruches
1 und/oder des Anspruches 2 oder des jeweiligen weiteren Anspruches
oder jeweils unabhängig
von Bedeutung sein.
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So
ist eine günstige
Lösung
dadurch erreicht, dass das bewegbare Teil als Zylinder geformt ist,
wobei der Wälzkontakt
an mit Bezug zu der Zylinderachse distanzierten Bereichen vorgesehen
ist. Der Zylinder ist drehbar um seine Zylinderachse angeordnet. Die
Zylinderwandung stellt durch Abwälzen
an den zugeordneten Wälzkontakten
des feststehenden Teiles die elektrische Kontaktierung her, wobei
weiter bevorzugt die beiden elektrischen Wälzkontakte zugeordnet den in
Achserstreckung des Zylinders betrachteten Enden des Zylin ders zugeordnet
sind. Diese Anordnung findet insbesondere Anwendung, bei denen ein
hoher Strom und eine niedrige Spannung sowie eine hohe Drehzahl
bei niedrigem Drehmoment gewünscht
ist.
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Der
das bewegbare Teil ausformende Zylinder kann unmittelbar der antreibende
bzw. der im Zusammenhang mit einem Generator abtreibende Teil des
Gerätes
sein. In bevorzugter Ausgestaltung ist das bewegbare Teil, beispielsweise
der Zylinder, zum Drehantrieb bzw. Drehabtrieb mit einer Welle verbunden.
An dieser greift im Falle eines Generators ein die Welle drehender
Antrieb an. Im Falle eines Elektromotors wird über die mit dem bewegbaren
Teil verbundene Welle eine Vorrichtung oder dergleichen angetrieben.
Hierbei kann weiter das bewegbare Teil über Übertragungsmittel auf die Welle
einwirken. In bevorzugter Ausgestaltung weisen die Welle und das bewegbare
Teil parallele Drehachsen auf, wobei eine Drehbewegung der Welle
um ihre Längsachse
weiter bevorzugt durch Drehen des bewegbaren Teiles um die Welle
unter Beibehaltung der Parallelität der jeweiligen Drehachsen
erreicht wird, dies weiter beispielsweise in Art einer Planetenanordnung
des bewegbaren Teiles mit Bezug zur Welle.
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Mit
der Welle kann nur ein bewegbares Teil verbunden sein, welches über die
Welle um die Wellenachse drehbar angetrieben wird bzw. welches bewegliche
Teil bei einem Elektromotor durch planetenartiges Umlaufen der Welle
letztere drehantreibt. In bevorzugter Ausgestaltung sind mit derselben
Welle zwei oder mehr bewegbare Teile verbunden, zur verbesserten
Auswuchtung des Systems.
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Die
Permanentmagnete sind des weiteren in der Drehachse des bewegbaren
Teiles distanziert zueinander angeordnet, so weiter bevorzugt mit
einem Abstand, der größer gewählt ist
als die axiale Länge des
bewegbaren Teiles, beispielsweise des Zylinders jedoch derart, dass
möglichst
geringe Luftspalte ent stehen und dass die aufeinander zu gewandten
Pole der Permanentmagnete den Stirnflächen der bewegbaren Teile zugeordnet
sind.
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In
weiter bevorzugter Ausgestaltung sind die Permanentmagnete als Ringmagnete
ausgebildet, dies weiter in bevorzugter Ausgestaltung im Zusammenhang
mit einer zum Drehantrieb bzw. Drehabtrieb mit dem bewegbaren Teil
verbundenen Welle, die die Ringmagnete zentral durchsetzt und so
nach außen
geführt
sein kann.
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Unabhängig von
der Ausgestaltung der Permanentmagnete ist weiter erforderlich,
dass gleiche Pole der Permanentmagnete einander zugewandt sind,
so weiter in Abhängigkeit
von der bei einem Elektromotor gewünschten Drehrichtung bzw. in
Abhängigkeit
von der bei einem Generator aufgebrachten Drehrichtung des bewegbaren
Teiles entweder mit einer Anordnung, bei welcher die Nordpole oder die
Südpole
einander zugewandt angeordnet sind.
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Die
Drehrichtung des Elektromotors kann weiter alternativ auch durch
eine Umkehrung der Stromrichtung erfolgen.
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Die
elektrische Kontaktierung durch Abwälzen ist in bevorzugter Ausgestaltung
erreicht durch elektrisch leitende Ringschienen oder dergleichen, auf
welchen die bewegbaren Teile, insbesondere in Form von Zylindern
abwälzen.
Hierbei können
die Ringschienen kreisringförmig
mit Bezug auf das bewegbare Teil radial außen angeordnet sein, dies weiter
beispielsweise bei einer Ausgestaltung des feststehenden Teils in
Form eines das bewegbare Teil und die Welle aufnehmenden Hohlzylinders,
der wandungsinnenseitig die Ringschienen aufweist. Alternativ kann
die Anordnung auch so gewählt
sein, dass die der elektrischen Kontaktierung dienenden Ringschienen
radial innen bezüglich
des oder der bewegbaren Teile angeordnet sind und die bewegbaren Teile
radial außen
umlaufen.
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Des
weiteren können
bei Anordnung von mehreren bewegbaren Teilen an derselben Welle diese über dieselben
Ringschienen kontaktiert sein. Alternativ ist beispielsweise jedem
bewegbaren Teil, weiter alternativ auch paarweise jeweils ein Ringschienenpaar
zugeordnet, so dass die bewegbaren Teile elektrisch in Reihe geschaltet
werden können.
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Die
Drehbewegung des bewegbaren Teiles, insbesondere in Ausgestaltung
eines Zylinders um die Zylinderachse ist in weiter bevorzugter Ausgestaltung
erreicht durch eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen bewegbarem Teil und feststehendem Teil, dies
weiter beispielsweise durch Zahneingriff, wozu der sich drehende
Zylinder eine umlaufende Außenverzahnung
und das diesem zugeordnete feststehende Teil eine entsprechende
wandungsinnenseitig umlaufende Gegenverzahnung aufweist.
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Auch
besteht die Möglichkeit,
die Ringmagnete mit dem bewegbaren Teil zusammenzufassen zur Abwälzung auf
dem funktionell lediglich als Stromleiter ausgebildeten feststehenden
Teil. Dies erweist sich als vorteilhaft insbesondere im Zusammenhang
mit einer Ausbildung des bewegbaren Teiles insgesamt als Wälzkörper, wobei
der Wälzkörper als
solcher nur relativ zueinander feststehende Bauteile aufweist. Ein
Abwälzen
bzw. Abrollen des so gestalteten bewegbaren Teiles auf beispielsweise
linearen Stromleitern führt
unmittelbar daraus zu einer Umsetzung der Rotation in einen Vortrieb,
womit bei Auflegung einer Gleichspannung auf die Stromleiter ein
elektromotorischer Vortrieb des bewegbaren Teiles erreicht ist.
Wird hingegen das bewegbare Teil aktiv durch Abwälzen über die Stromleiter geführt, so
ist ein Generatoreffekt erreicht, wobei die indizierte Spannung über die
Stromleiter abgegriffen wird.
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Im
Falle einer elektromotorischen Nutzung der vorbeschriebenen Lösung kann
diese beispielsweise zum Antrieb von Spielzeug- bzw. Modellfahrzeugen
ge nutzt werden. Zudem ist durch die gewählte Lösung bei einfachem Aufbau eine
Linearmaschine ohne elektrische Kommutierung sowie ohne Frequenzumrichter
geschaffen, dies weiter bei guter Ausnutzung des Magnetfeldes, da
die Permanentmagnete in dem bewegbaren Teil mitgeführt werden. Zum
verbesserten Vortrieb des bewegten Teils kann der Stromleiter als
Zahnstange oder Zahnkranz ausgebildet sein, um eine kraftschlüssige Verbindung
zu erreichen. Alternativ kann eine stromlose, nicht magnetische,
zwischen den stromführenden
Schienen liegende einzelne Zahnschiene verwendet werden.
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Das
bewegbare Teil weist zudem ein elektrisch leitfähiges Rohr auf, dem die Permanentmagnete
zugeordnet sind. Das elektrisch leitfähige Rohr ist beispielsweise
ein Kupfer- oder Aluminiumrohr insbesondere nah an den stirnseitigen
Enden mit einer geringen Wandungsdicke, um ein unerwünschtes Gegenmoment,
erzeugt durch das durch das Rohr laufende Magnetfeld, zu reduzieren.
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In
bevorzugter Ausgestaltung sind die Permanentmagnete jeweils endseitig
in dem leitfähigen Rohr
aufgenommen. Entsprechend sind die Permanentmagnete von dem leitfähigen Rohr
umlaufend umfasst und im Rohrinneren angeordnet.
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Die
Anordnung der Permanentmagnete ist weiter so gewählt, dass eine Teilungsebene
eines Permanentmagneten zwischen Nord- und Südpol senkrecht zur Rohrachse
und/oder senkrecht zur Drehachse des bewegbaren Teiles verläuft, wobei weiter
gleiche Pole der Permanentmagnete zugewandt ausgerichtet sind.
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Insbesondere
bei Zuordnung der Permanentmagnete zu dem bewegbaren Teil ist weiter
der Wälzkontakt
bzw. jeder Wälzkontakt
zu dem feststehenden Teil der jeweiligen Teilungsebene zwischen dem
Nordpol und dem Südpol
eines Permanentmagneten zugeordnet. Entsprechend wirkt das funktionell bevor zugt
lediglich als Stromleiter dienende feststehende Teil nahe der Teilungsebene
eines Permanentmagneten elektrisch auf die Außenwandung des elektrisch leitfähigen Rohres
ein.
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Um
einen gezielt geführten
magnetischen Rückschluss
zu ermöglichen,
weist das bewegbare Teil in einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
ein Gehäuse
auf, welches Gehäuse
Führungsöffnungen
ausbildet, zum Eingriff der Wälzkontakte,
insbesondere zum Eingriff der funktionell lediglich als Stromleiter
ausgebildeten feststehenden Teile, die das bewegbare Teil, weiter
insbesondere das elektrisch leitfähige Rohr desselben kontaktieren.
Das Gehäuse
ist zur Erzielung eines magnetischen Rückschlusses aus magnetisch
leitfähigem,
vorzugsweise weichmagnetischem Material gefertigt.
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Die
Wälzkontakte
des feststehenden Teils sind in einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
als Wälzschienen
ausgebildet, die zugleich der Führung
des beweglichen Teiles beim Abwälzen dienen,
so weiter in Form von Führungsschienen,
die zugleich einen elektrischen Strom leiten. Diese Strom- bzw.
Wälzschienen
können
linear oder kreisförmig
geführt
sein, weiter auch in einer Kombination aus linearer und kreisförmiger Ausrichtung.
Darüber hinaus
können
diese Schienen beispielsweise auch aus einer Horizontalebene gekippt
angeordnet sein.
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Zur
Reduzierung von Wirbelstromverlusten im feststehenden Teil, insbesondere
bei Ausbildung der feststehenden Teile als Wälzkontakte, weiter als Wälzschienen,
ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass die Wälzkontakte
voneinander elektrisch isolierte Bereiche aufweisen. Der Abstand
der isolierten Wälzkontaktbereiche,
insbesondere in Wälzrichtung
betrachtet, entspricht in bevorzugter Ausgestaltung dem 10- bis
100-Fachen des Durchmessers eines mit dem Wälzkontakt zusammenwirkenden
Permanentmagneten. So entspricht der Abstand der Wälzkontaktbereiche
bei einem beispielhaften Magnetdurchmesser von 8 mm etwa 80 bis 800
mm.
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In
weiter alternativer Ausgestaltung ist die elektrische Verbindung
zwischen den Wälzkontakten durch
die Pole eines Akkumulators gegeben. Es ist so bei einem Elektromotor
die Verlagerung der Energiequelle in das verfahrbare Teil erreicht,
wobei weiter die beweglichen Teile unter Wälzkontaktierung auf einer elektrisch
leitfähigen
Fläche,
beispielsweise Fahrbahnfläche
abrollen bzw. walzen. Die Kontaktierung der Fahrbahnfläche erfolgt
bspw. über
Kontaktringe, Kontaktummantelungen wie Folien oder Beschichtungen,
die an den beweglichen Teilen umlaufend angeordnet sind, dies bei
einer Rotationsachse des beweglichen Teiles, die parallel zur Fahrbahnfläche verläuft. Die
Kontaktringe sind bevorzugt der Teilungsebene der Permanentmagnete
zugeordnet, wobei weiter zur elektrischen Verbindung ein Pol des Permanentmagneten
zumindest bis zur Teilungsebene durch eine elektrisch leitfähige Schicht überdeckt ist.
Letztere ist mit einem Pol des Akkumulators verbunden.
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Die
elektrisch leitfähige
Schicht ist in einer Ausführungsform
durch eine elektrisch leitfähige Kappe
gebildet, die den Permanentmagneten zumindest bis zur Teilungsebene überdeckt
und mit einem Pol des Akkumulators in Verbindung steht. Auch kann
die elektrisch leitfähige
Schicht durch eine Kontaktummantelung, wie beispielsweise durch
einen Folienmantel oder alternativ durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung
gebildet sein. So ist weiter beispielsweise eine Kupferfolie mit
einer Stärke
von 0,02 bis 0,05 mm, beispielsweise 0,035 mm im Zusammenhang mit
einem Magnetdurchmesser von 6 bis 10 mm, beispielsweise 8 mm vorgesehen.
Zumindest im Kontaktierungsbereich mit den Wälzkontakten bzw. dem feststehenden
Bereich kann weiter eine Veredelung bzw. Edelmetallbeschichtung
der Oberfläche
vorgesehen sein.
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Es
können
weiter diesbezüglich
ein- oder mehrzellige Akkumulatoren verwendet werden, welche weiter
hinsichtlich der abgebenden Spannung steuerbar, weiter bevorzugt
fernsteuerbar sind. So kann mit dem bewegbaren Teil rotierend mitgeführt ein
Fernsteuerempfänger
oder Fahrtregler vorgesehen sein. Mit zwei getrennt steuerbaren
beweglichen Teilen oder mit separaten Lenkvorrichtungen können darüber hinaus
freie Fahrtrichtungswechsel auf einer elektrisch leitfähigen Fahrbahnfläche durchgeführt werden.
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Der
Akkumulator ist in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
unter elektrischer Verbindung mit den Wälzkontakten in einem die Permanentmagnete
jeweils endseitig tragenden Gehäuse
aufgenommen. Hierbei sind weiter bevorzugt die Wälzkontakte, die Permanentmagnete,
die elektrisch leitfähigen
Schichten wie Kappen, sowie die Pole und der Akkumulator mechanisch
fest miteinander verbunden. Das Gehäuse ist weiter bevorzugt elektrisch isoliert
ausgebildete, beispielsweise bestehend in Form eines Kunststoffrohres.
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Zur
Fernsteuerung des Akkumulators, gegebenenfalls auch zur Fernsteuerung
einer Bewegungsrichtung der Anordnung ist in dem Gehäuse weiter
eine Empfängereinheit
aufgenommen. Auch diese ist fest in dem Gehäuse verankert, weist darüber hinaus
bevorzugt eine in dem Gehäuse
aufgenommene gesonderte Stromversorgung auf, dies beispielsweise
in Form einer auswechselbaren Batterie.
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Das
Gehäuse
zur Aufnahme des Akkumulators und weiter bevorzugt zur Aufnahme
der Empfängereinheit
sowie deren Stromversorgung dient in weiterer Ausgestaltung zugleich
auch als Träger
für eine Empfangsantenne
der Empfangseinheit. Diese ist in bevorzugter Ausgestaltung aus
dem Rohrinnern von der Empfangseinheit ausgehend nach radial außen geführt und
wandungsaußenseitig
des Gehäuses
auf diesem aufgewickelt.
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Das
feststehende Teil ist in einer Ausgestaltung eine elektrisch leitfähige Fläche, beispielsweise Fahrbahnfläche. Diese
kann eine durchgehende flächige
Gestaltung aufweisen. Zur Verringerung von Wirbelstromverlusten
innerhalb der Fahrbahnfläche, dies
aufgrund der relativ zur Fahrbahn sich bewegenden Magnete, ist in
einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes vorgesehen, dass
die elektrisch leitfähige
Fläche
lamellenartig unterteilt ist. Diese Lamellen sind bevorzugt punktuell
miteinander elektrisch verbunden. Mittels Kaskadierung mehrerer
solcher lamellenartig aufgebauter Flächen können größere Flächen abgedeckt werden.
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Die
vorbeschriebene Lösung
eignet sich insbesondere für
akkubetriebene Spielzeug- bzw. Modellfahrzeuge, die frei, das heißt nicht
geführt,
beispielsweise schienengeführt
auf einer elektrisch leitfähigen
Fahrbahnfläche
bewegbar sind.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, welche lediglich
mehrere Ausführungsbeispiele
darstellt, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine, einen Elektromotor oder im Umkehrbetrieb einen Generator
bildende Anordnung in einer ersten Ausführungsform;
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2 eine
der 1 entsprechende Darstellung, eine zweite Ausführungsform
betreffend;
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3 in
einer perspektivischen Darstellung eine dritte Ausführungsform
mit einem bewegbaren Teil aus einem leitfähigen Rohr mit integrierten
Permanentmagneten, welches bewegliche Teil auf Stromleitern abwälzt;
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4 den
Schnitt gemäß der Linie
IV-IV in 3;
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5 die
Herausvergrößerung des
Bereiches V in 4;
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6 eine
der 3 entsprechende Darstellung, jedoch eine vierte
Ausführungsform
betreffend;
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7 ein
Stromleiter in alternativer Ausführungsform;
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8 den
Schnitt gemäß der Linie
VIII-VIII in 6;
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9 die
Anordnung in einer weiteren Ausführungsform;
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10 in
perspektivischer Darstellung einen Permanentmagneten mit zuordbarer,
elektrisch leitfähiger
Kappe;
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11 eine
der 10 entsprechende Darstellung bei weiterer Zuordnung
eines Kontaktbügels und
eines Akkumulators;
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12 eine
Längsschnittdarstellung
durch eine Anordnung gemäß 9,
eine weitere Ausführungsform
betreffend;
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13 in
perspektivischer Darstellung ein der Anordnung gemäß 9 oder 10 zuordbares
feststehendes Teil als lamellenartige Fläche;
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14 eine
Draufsicht auf eine Anordnung einer Mehrzahl von untereinander elektrisch
verbundenen, lamellenartigen Flächen.
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Dargestellt
und beschrieben ist zunächst
mit Bezug zu 1 eine Anordnung zur Ausformung
eines Elektromotors 1 bzw. in der Umkehrung der Funktionsweise
als Generator 2. Nachstehend ist mit Bezug zu 1 die
Funktions weise eines Elektromotors 1 beschrieben. Die Ausführungen
hinsichtlich der Ausgestaltung der gezeigten Anordnungen sind auch
unmittelbar auf einen Generator 2 übertragbar.
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Die
Anordnung weist zunächst
ein im Wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 3 auf. Diese langgestreckt
zylinderförmige
Gehäuse 3 besitzt
in Längserstreckung
betrachtet jeweils endseitig eine den Hohlraum überdeckende Decke 4 bzw.
einen dieser gegenüberliegenden
Boden 5. Sowohl die Decke 4 als auch der Boden 5 sind
zentral mit einem kreisförmigen
Durchbruch 6 versehen, zum Durchtritt einer entsprechend
die Decke 4 und den Boden 5 zentral durchsetzenden
Welle 7.
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Letztere
ist koaxial ausgerichtet zur Gehäuseachse
im Bereich der Durchbrüche 6 über Lager 8 an
dem Gehäuse 3 relativ
zu diesem drehbar gehaltert.
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Jeweils
dem Hohlraum des Gehäuses 3 zugewandt
ist sowohl innenseitig der Decke 4 als auch innenseitig
des Bodens 5 jeweils ein Permanentmagnet 9 in
Form eines Ringmagneten angeordnet. Diese sind zentral durchsetzt
von der Welle 7.
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Die
Anordnung der Permanentmagnete 9 ist weiter so gewählt, dass
gleiche Pole derselben zugewandt sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Nordpole der Permanentmagnete 9 zugewandt angeordnet,
während
die Südpole
der Decke 4 bzw. dem Boden 5 zugewandt angeordnet
sind.
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Die
Permanentmagnete 9 sind des weiteren fest an dem das feststehende
Teil 10 bildenden Gehäuse 3 befestigt,
während
die Welle 7 relativ zu den Permanentmagneten 9 drehbewegbar
ist.
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Weiter
sind die Permanentmagnete 9 mit Bezug auf die Wellenachse
x mit Abstand zueinander angeordnet. In diesem Abstandsraum erstrecken sich
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei bewegbare Teile 11 ausbildende Zylinder 12,
deren Drehachsen y parallel zu der Wellenachse x verlaufen. Die
beiden Zylinder 12 sind diametral gegenüberliegend zu der Welle 7 angeordnet
und an der Welle 7 gehaltert. Hierzu sind die Zylinder 12 mit
Zylinderachsen 13 durchsetzt, um welche die Zylinder frei
drehbar sind. Die parallel zur Welle 7 verlaufenden Zylinderachsen 13 sind über radial
zur Welle 7 ausgerichtete Tragarme 14 an der Welle 7 festgelegt, zur
drehfesten Anordnung der Zylinderachsen 13 an der Welle 7.
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Des
weiteren weisen die Zylinder 12 wandungsaußenseitig,
mittig ihrer Längserstreckung
eine umlaufende Außenverzahnung 15 auf.
Diese Außenverzahnungen 15 wirken
mit einer wandungsinnenseitig des Gehäuses 3 ausgeformten,
umlaufenden Innenverzahnung 16 zusammen, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung
erreicht ist. Alternativ kann diesbezüglich auch eine reibschlüssige Verbindung ausgebildet
sein.
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Weiter
zugeordnet der Gehäuseinnenwandung
sind Wälzkontakte 17 in
Form umlaufender Ringschienen vorgesehen. Die beiden Wälzkontakte 17 kontaktieren
die Mantelflächen
der Zylinder 12 nahe der in Achsrichtung betrachteten Endbereiche derselben,
sind entsprechend beidseitig der gehäuseseitigen Innenverzahnung 16 positioniert.
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Jeder
Wälzkontakt 17 ist
mit einer nach außen
geführten
elektrischen Leitung 18 verbunden, dies weiter unter isolierter
Anordnung der Wälzkontakte 17 an
der Gehäuseinnenwandung.
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Im
Falle eines Elektromotors 1 wird mittels der elektrischen
Kontaktierung über
die Wälzkontakte 17 auf
die Zylindermantelflächen
der Zylinder 12, weiter in folge der Unipolarinduktion über die
Permanentmagnete 9 eine Drehung der Zylinder 12 um
ihre Drehachsen y erreicht, was über
den Kraftschluss zwischen den Verzahnungen eine planetenartige Bewegung
der Zylinder 12 um die Wellenachse x bewirkt, die zum Antrieb
der Welle 7 führt.
Hierbei wälzen
die Zylinder 12 mit ihren Mantelwandungen auf den Wälzkontakten 17 ab.
Die Leitungen 18 sind hierbei an eine Spannungsquelle angeschlossen.
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Bei
Ausbildung als Generator 2 wird die Welle 7 aktiv
angetrieben, wobei durch die aktive Drehung der beweglichen Teile 11 (Zylinder 12)
unter Abwälzung über die
Wälzkontakte 17 eine
Gleichspannung erzeugt wird.
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Alternativ
zu der dargestellten Lösung
können
jedem Zylinder 12 auch gesonderte Wälzkontakte 17 zugeordnet
sein, so dass die läuferartigen
Zylinder 12 in Reihe geschaltet werden können. Weiter ist
auch ein Abrollen der Zylinder 12 auf einem zwischen diesen
liegenden zylindrischen Bauteil, bevorzugt mit gleichem Durchmesser
wie die Zylinder 12, möglich,
welches zentrale Bauteil die Wälzkontakte 17 als
umlaufende Ringe trägt.
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Ein
gezielt geführter
magnetischer Rückschluss
ist durch die nicht mit rotierenden stirnseitigen Permanentmagnete 9 und
durch Ausgestaltung des Gehäuses 3 mit
vorzugsweise weichmagnetischen Eigenschaften erreicht.
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Die 2 zeigt
eine alternative Ausgestaltung einer Anordnung, basierend auf der
Ausführungsform
gemäß 1.
In dieser Ausführungsform ist
das zylindrische, bewegbare Teil 11 drehfest auf der Welle 7 gehaltert.
Jeweils stirnseitig des Zylinders 12 ist ein drehfest mit
Zylinder sowie drehfest mit der Welle 7 vorgesehener Permanentmagnet 9 angeordnet,
dies auch hier mit einander zuweisenden gleichen Polen.
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Jeweils
etwa in der Trennebene zwischen Nordpol und Südpol ist jeder Permanentmagnet 9 bzw.
das zusammen mit dem Zylinder 12 gebildete bewegbare Teil 11 umfasst
von einer elektrisch leitfähigen
Außenverzahnung 15.
Diese wirkt in einer Querebene zur Welle 7 betrachtet mit
zwei diametral gegenüberliegend
angeordneten, leitfähigen
Stirnzahnrädern 27 zusammen.
Diese sind entsprechend auf der gleichen Querebene wie die Außenverzahnung 15 positioniert,
mit Drehachsen, die parallel verlaufend zur Wellenachse x ausgerichtet
sind. Die Drehachsen der Stirnräder 27 sind über radial
von der Welle 7 abragende Tragarme 14 an der Welle 7 gehaltert.
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Wandungsinnenseitig
des das feststehende Teil 10 bildenden Gehäuses 3 ist
jeweils zugeordnet einem Paar von Stirnzahnrädern 27 eine umlaufende,
einen Wälzkontakt 17 ausformende
Innenverzahnung 16 vorgesehen, die mit der Außenverzahnung der
zugeordneten Stirnzahnräder 27 zusammenwirkt.
Diese elektrisch leitfähigen
Innenverzahnungen 16 sind mit Elektroleitungen 18 versehen.
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Die 3 bis 5 zeigen
eine Ausgestaltung eines Elektromotors 1 in Form eines
Linearmotors mit einer Energiezuführung von Außen.
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Das
bewegbare Teil 11 besteht hierbei aus einem elektrisch
leitfähigen
Rohr 19, welches im Innern, jeweils einem Ende des Rohres 19 zugeordnet einen
Permanentmagneten 9 in Form eines Scheibenmagneten aufnimmt.
Auch hier sind gleiche Pole der Permanentmagnete 9 zugewandt
angeordnet, dies weiter unter axialer Beabstandung derselben.
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Die
Rohrachse nimmt die Zentralachsen der Permanentmagnete auf, wobei
die Rohrachse zugleich die Drehachse y des bewegbaren Teiles 11 ist.
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Das
so gestaltete bewegbare Teil 11 liegt mit der Mantelfläche des
Rohres 19 auf den Wälzkontakten 17 auf.
Diese stellen das feststehende Teil 10, das in dieser Ausführungsform
funktionell lediglich als Stromleiter ausgebildet ist.
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Die
Kontaktierung der Rohrmantelwandung durch die Wälzkontakte 17 erfolgt
im Bereich einer Teilungsebene T zwischen dem Nordpol und dem Südpol des
jeweiligen Permanentmagneten 9, welche Teilungsebene T
senkrecht zur Drehachse y verläuft.
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Bei
entsprechender elektrischer Kontaktierung der Wälzkontakte 17 (Gleichspannung)
rollt bzw. walzt das zylinderförmige,
bewegbare Teil 11 auf den linearen, Stromschienen formenden
Wälzkontakten 17 ab
mit unmittelbar daraus folgender Umsetzung der Rotation in einen
Vortrieb. Hierbei können
die Wälzkontakte 17 und/oder
die Kontaktflächen
des Rohres 19 als Zahnstangen bzw. Zahnkränze ausgebildet
sein, um eine kraftschlüssige
Verbindung zu erreichen.
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Gemäß der Detaildarstellung
in 5 läuft ein
Anteil des aus dem Permanentmagneten 9 tretenden Feldes
innerhalb der Wandstärke
des Rohres 19 zum Magneten 9 zurück. Dieser
Feldanteil verläuft
in entgegengesetzter Richtung bezogen auf das innerhalb des Magneten 9 liegenden
Feldes und sorgt daher für
ein dem nutzbaren Drehmoment entgegengesetztes Drehmoment, sobald
die Anordnung zum Betrieb als Motor wie beschrieben von Strom durchflossen
wird. Im Generatorbetrieb erzeugt dieser Feldanteil eine Gegenspannung
zur nutzbaren Spannung, sobald das bewegliche Teil 11 in
Rotation versetzt wird.
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Um
den Anteil des magnetischen Flusses, der das Rohr 11 innerhalb
des Wandstärkenbereichs durchsetzt,
ist die Wandstärke
a gering gehalten. So ist eine Rohrwandstärke a im, den Permanentmagneten 9 überdeckenden
Bereich in einer Größenordnung
von weniger als 1% bis 10% des Magnet-Durchmessers bevorzugt. Bei
einem Magnet-Durchmesser von beispielsweise 10 mm ergibt sich so
eine Wandstärke
a von weniger als 0,1 bis 1 mm. Der in Axialrichtung außerhalb
des beweglichen Teils 11 liegende Anteil des zurücklaufenden
Magnetfeldes M erzeugt das Gegenmoment im feststehenden Teil 10 und
sorgt so für
die zum Betrieb der Anordnung notwendige Gegenkraft vom beweglichen auf
das feststehende Teil.
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Eine
Wandstärke
von weniger als 0,1 mm kann zweckmäßigerweise realisiert werden,
indem die Permanentmagnete stirnseitig auf ein Rohr gleichen Durchmessers
wie der Magnet-Durchmesser aufgeklebt sind, wobei das Rohr elektrisch
leitfähig oder
auch isoliert sein kann, darüber
hinaus auch magnetisch oder unmagnetisch, und der so entstandene
Gesamtkörper
mit einer Lage selbstklebender bzw. aufkaschierter Metallfolie umhüllt wird.
So ergeben sich beispielsweise bei Kupferfolie Wandstärken von
beispielsweise 0,035 mm, dies weiter beispielsweise im Zusammenhang
mit einem Magnet-Durchmesser von 8 mm, wobei die Permanentmagnete bspw.
auf einem Rundholz von gleichfalls 8 mm Durchmesser stirnseitig
befestigt sind. Die Kontaktierungsbereiche zum feststehenden Teil 10,
hier weiter zu den Wälzkontakten 17 sind
bevorzugt veredelt bzw. mit Edelmetall beschichtet.
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Prinzipiell
können
die Permanentmagnete auch selbst den elektrisch leitenden Kontaktbereich darstellen
und stirnseitig auf ein elektrisch leitfähiges Rohr gleichen Durchmessers
aufgebracht sein, dies unter Sicherstellung einer elektrisch leitenden
Verbindung zu dem Rohr. Ein solches Rohr stellt dann lediglich das
benötigte
elektrisch leitende Zwischenstück
dar.
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Grundsätzlich ist
für den
geführten
Strom die Leiterquerschnittsfläche
ausreichend dimensioniert, die sich aus der Wandstärke bzw.
Stärke
der Beschichtung multipliziert mit ihrem mittleren Umfang ergibt.
So wird bei einer Kupferfolie mit einer Stärke von 0,035 mm und einem
Rohr- bzw. Magnet-Durchmesser von 8 mm ein Leitungsquerschnitt von
etwa 0,9 mm2 erreicht, welche Quer schnittsfläche ausreichend
ist für
mindestens 10 A, da die Leiterlänge
von der Teilungsebene T des einen Magneten zu der Teilungsebene
des anderen Magneten relativ kurz ist, so beispielsweise 20 mm.
Entsprechend liegt der Leiterwiderstand deutlich unter 1 mΩ.
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Um
einen gezielt geführten
magnetischen Rückschluss
zu erreichen, ist gemäß einer
Weiterbildung (vgl. 6 bis 8) ein das
Rohr 19 mit den darin aufgenommenen Permanentmagneten 9 umgreifendes,
bevorzugt weichmagnetisches Gehäuse 20 vorgesehen.
Dieses umfasst das Rohr 19 sowohl mantelwandseitig umlaufend
als auch jeweils stirnseitig, dies weiter unter Belassung zweier
mit Bezug auf die Drehachse y umlaufender Führungsöffnungen 21, durch
welche die in diesem Ausführungsbeispiel
im Querschnitt messerartigen Wälzkontakte 17 zur
Kontaktierung der Rohrmantelwandung treten. Zugleich ist hierdurch
eine Führung
des abwälzenden,
beweglichen Teils 11 quer zur Bewegungsrichtung gegeben.
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Wie
weiter aus der 7 zu erkennen, kann der messerartige
Wälzkontakt 17 elektrisch
voneinander isolierte Bereiche 28 aufweisen. Diese stützpfeilerartigen
Bereiche 28 sind in Längserstreckung des
Wälzkontakts 17 durch
Isolierabschnitte 29 zueinander beabstandet. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der in Wälzrichtung
sich erstreckende Sockel 30 sowie die im Querschnitt dachartige, parallel
zum Sockel 30 verlaufende Kontaktierungskante 31 aus
einem elektrisch leitfähigen
Material gebildet. Der vertikale Abstand von Sockel 30 zu
Kontaktierungskante 31 ist durch die aus einem elektrisch
isolierenden Material gebildeten Abschnitte 29 erreicht.
In einem Abstand L in Längserstreckung
des Wälzkontaktes 17 sind
die Kontaktierungskante 31 und der Sockel 30 unter
Durchbrechung der Isolationsbereiche elektrisch miteinander verbunden.
Hierzu sind in Längserstreckung
zwischen zwei Wandabschnitten 29 elektrisch leitfähige Stützen 32 eingezogen.
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Die
vorbeschriebene Ausgestaltung dient zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten
im feststehenden Teil bzw. in dem Wälzkontakt 17. Der
Abstand L zwischen den einzelnen Stützen 32 zur Verbindung
von Sockel 30 und Kontaktierungskante 31 entspricht
bevorzugt dem 10- bis 100-Fachen des Magnet-Durchmessers, so weiter bei einem Magnet-Durchmesser
von beispielsweise 8 mm 80 bis 100 mm.
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9 zeigt
eine Ausführungsform
eines Elektromotors mit mitgeführter
Energiequelle. So ist hier die elektrische Verbindung zwischen den
Wälzkontakten 17 durch
die Pole 22, 23 eines Akkumulators 24 gegeben.
Diese Pole 22 und 23 wirken auf elektrisch leitfähige Kappen 25,
die ausgehend vom Akkumulator 24 jeweils nach axial außen öffnen.
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In
die Kappen 25 greifen Permanentmagnete 9 in Form
von Scheibenmagneten, deren Körperachsen
in Verlängerung
zu der Akkumulatorachse ausgerichtet sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind
gleiche Pole der Permanentmagnete 9 aufeinander zugewandt
angeordnet.
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Die
Permanentmagnete 9 tragen des weiteren kontaktringartige
Wälzkontakte 17.
Diese sind senkrecht zur Drehachse y angeordnet, weiter zugeordnet
der Teilungsebene T der Permanentmagnete 9.
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Wälzkontakte 17,
Permanentmagnete 9, Kappen 25 sowie Pole 22, 23 und
Akkumulator 24 sind mechanisch fest miteinander verbunden,
wobei die Kappen 25 die elektrische Kontaktierung der Wälzkontakte 17 zu
dem jeweiligen Pol 22, 23 des Akkumulators 24 bilden.
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Weiter
erfolgt über
die Wälzkontakte 17 die Kontaktierung
der in diesem Zusammenhang elektrisch leitfähigen Fläche 26, beispielsweise
Fahrbahnfläche,
welche Fläche 26 in
diesem Ausführungsbeispiel
das feststehende Teil 10 bildet.
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Allein
durch Aufsetzen des so gestalteten Elektromotors 1 auf
eine elektrisch leitfähige
Fläche 26 wird
eine Rotation der Permanentmagnete 9 um die Drehachse y
erreicht, was beispielsweise in vorteilhafter Weise für Spielzeug-
bzw. Modellfahrzeuge genutzt werden kann.
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Es
können
ein- oder auch mehrzellige Akkumulatoren verwendet werden. Mit dem
durch die Kappen 25 gebildeten bewegbaren Teil 11 kann
des weiteren ein Fernsteuerempfänger
oder ein Fahrtregler rotierend mitgeführt werden. Mit zwei getrennt steuerbaren
bewegbaren Teilen 11 oder mit separaten Lenkvorrichtungen
können
lenkbare ferngesteuerte Fahrzeug aufgebaut werden.
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Die 10 bis 12 zeigen
eine Ausführungsform,
bei welcher alternativ zu einer Kappe 25 der jeweilige
Permanentmagnet 9 von einer, den Wälzkontakt 17 unmittelbar
bildenden Umhüllung 33 umfasst
ist. Diese Umhüllung
ist elektrisch leitend ausgebildet, so insbesondere in Form einer
vorgestanzten und kappenartig geformten Metallfolie, die zylinderartig
dem Außendurchmesser
des Permanentmagneten 9 angepasst geformt ist.
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Der
Permanentmagnet 9 weist stirnseitig, der Kontaktierung
zum Akkumulator 24 zugewandt eine aufgeklebte Distanzscheibe 34 auf.
Die Umhüllung 33 ist
entsprechend der stufenartigen Gestaltung von Permanentmagnet 9 und
aufgeklebter Distanzscheibe 34 angepasst geformt, so dass
Abschnitte der Umhüllung 33 zugleich
die umlaufende Wandung der Distanzscheibe 34 umfassen und
radial nach innen auf die Stirnseite der Distanzscheibe 34 greifen.
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Der
Distanzscheibe 34 sowie den diese übergreifenden Umhüllungsabschnitten
ist weiter eine Drahtschleife 35 zugeordnet. Diese ist
vom Innendurchmesser her angepasst an den Außendurchmesser der Distanzscheibe 34 unter
Berück sichtigung
der Materialstärke
der Umhüllung 33,
die im Bereich zwischen 0,02 bis 0,04 mm liegt.
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Die
elektrisch leitfähige
Drahtschleife 35 sitzt in Zuordnungsstellung pressgehaltert
auf der umlaufenden Wandung der Distanzscheibe 34 auf und dient
zum Einen der sicheren Halterung der Umhüllung 33 auf den Permanentmagneten 9 und
zum Weiteren der elektrischen Kontaktierung der Umhüllung 33 zum
zugewandten Pol 22, 23 des Akkumulators 24.
Hierzu besitzt die Drahtschleife 35 radial nach innen einragende
Kontaktenden 36. Beide Permanentmagnete 9 sind
wie vorbeschrieben gestaltet und weisen gleiche Durchmesser und
Dicken auf.
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In 12 sind
die wie vorstehend bestückten
Permanentmagnete 9 über
ein rohrförmiges
Gehäuse 37 verbunden.
Dieses ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Kunststoffrohr
gebildet, dessen Rohrachse in Verlängerung zu den Magnetachsen
verläuft.
Der Innendurchmesser des rohrförmigen
Gehäuses 37 entspricht
im wesentlichen dem Außendurchmesser
im Bereich der Drahtschleife 35. Der Rohraußendurchmesser
ist kleiner gewählt
als der Magnetaußendurchmesser.
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In
dem Gehäuse 37 ist
der Akkumulator 34 aufgenommen. Dessen einer Pol 22 steht über eine Drahtbrücke 38 und über die
zugeordnete Drahtschleife 35 mit der Umhüllung 33 eines
Permanentmagneten 9 in Verbindung. Der gegenüberliegende Pol 23 des
Akkumulators 24 ist unter Zwischenschaltung einer Transistorschaltung 39 und über eine
weitere Drahtbrücke 40 elektrisch
mit dem anderen Permanentmagneten 9 verbunden.
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Weiter
ist in dem Gehäuse 37 benachbart zum
Akkumulator 24 eine Empfängereinheit 41 aufgenommen.
Diese ist stromgespeist über
eine weiter in dem Gehäuse 37 positionierte
Batterie 42, dies weiter unter Zwischenschaltung der erwähnten Transistorschaltung 39.
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Zum
Aktivieren bzw. Deaktivieren der Empfängereinheit 41 ist
zudem ein Einschalter 43 vorgesehen.
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Eine
der Empfängereinheit 41 zugeordnete Empfangsantenne 44 ist
als drahtförmige
Wickelantenne realisiert. Der Antennendraht ist ausgehend von der
Empfängereinheit 41 nach
radial außen
auf die Mantelaußenfläche des
Gehäuses 37 geführt und umfasst
dieses spiralförmig.
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Auch
diese Anordnung ist allein durch Aufsetzen des so gestalteten Elektromotors 1 auf
eine elektrisch leitfähige
Fläche 26 in
Rotation versetzbar, wobei die vorbeschriebenen Komponenten fest
miteinander verbunden eine Einheit bilden, welche Einheit über die
Empfängereinheit 41 fernsteuerbar
ist.
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Um
Wirbelstromverluste innerhalb der Fahrbahnfläche zu minimieren, ist in einer
Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes die leitfähige Fläche 26 lamellenartig
unterteilt (vgl. 13). Es liegen entsprechend
bevorzugt quer zur Verfahrrichtung sich erstreckende, leitfähige Lamellen 45 vor,
die parallel zueinander verlaufend gleichmäßig beabstandet sind. Die einzelnen
Lamellen 45 sind über
einen elektrisch leitenden, quer zur Erstreckungsrichtung der Lamellen 45 ausgerichteten
Verbinder 46 verbunden.
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Durch
Kaskadierung mehrerer so gestalteter Flächen 26 gemäß der Darstellung
in 14 können auch
große
elektrisch leitfähige
Flächen
unter Verringerung von Wirbelstromverlusten erreicht werden. Die
Verbinder 46 werden über
Querverbinder 47 miteinander elektrisch kontaktiert, womit
alle Lamellen der so gestalteten Fläche 26 elektrisch
miteinander verbunden sind.
-
Alle
offenbarten Merkmale sind (für
sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird
hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Generator
- 3
- Gehäuse
- 4
- Decke
- 5
- Boden
- 6
- Durchbrüche
- 7
- Welle
- 8
- Lager
- 9
- Permanentmagnet
- 10
- Feststehendes
Teil
- 11
- Bewegbares
Teil
- 12
- Zylinder
- 13
- Zylinderachse
- 14
- Tragarm
- 15
- Außenverzahnung
- 16
- Innenverzahnung
- 17
- Wälzkontakt
- 18
- Leitungen
- 19
- Rohr
- 20
- Gehäuse
- 21
- Führungsöffnungen
- 22
- Pol
- 23
- Pol
- 24
- Akkumulator
- 25
- Kappe
- 26
- Fläche
- 27
- Stirnzahnränder
- 28
- Bereiche
- 29
- Wandabschnitte
- 30
- Sockel
- 31
- Kontaktierungskante
- 32
- Stützen
- 33
- Umhüllung
- 34
- Distanzscheibe
- 35
- Drahtschleife
- 36
- Kontaktenden
- 37
- Gehäuse
- 38
- Drahtbrücke
- 39
- Transistorschaltung
- 40
- Drahtbrücke
- 41
- Empfängereinheit
- 42
- Batterie
- 43
- Einschalter
- 44
- Empfangsantenne
- 45
- Lamellen
- 46
- Verbinder
- 47
- Querverbinder
- L
- Abstand
- M
- Magnetfeld
- T
- Teilungsebene
- a
- Wandstärke
- x
- Wellenachse
- y
- Drehachse