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Magnetmotor
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Zusatzanmeldung zu Patentanmeldung P 27 06 691.7 Die Erfindung betrifft
einen Magnetmotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten und in der
Hauptpatentanmeldung beschriebenen Art.
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Bekannte Motoren, auch solche, bei denen der Stator oder der Rotor
als Permanentmagnet ausgebildet ist, benötigen zur Erzeugung des das Drehmoment
erzeugenden Drehfeldes bzw. Magnetfeldes elektromagnetische Wicklungen. Sie sind
somit von dem Vorhandensein bzw. der Betriebsbereitschaft einer Stromquelle abhängig.
Es gibt eine Reihe von einen Antrieb benötigenden Geräten, wie beispielsweise Fahrscheindrucker
oder dgl., bei denen einerseits für die Durchführung einer Maschinenoperation nur
eine einzige oder wenige Umdrehungen der Hauptantriebswelle erforderlich sind und
bei denen andererseits ein zuverlässiger Betrieb unabhängig von einer Stromquelle
gewährleistet sein soll. Bei solchen Geräten war es bisher erforderlich, daß die
gewünschte Drehbewegung von Hand, z.B. mit einer Handkurbel, durchgeführt werden
mußte.
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In der Hauptpatentanmeldung wurde deshalb ein Magnetmotor vorgeschlagen,
der unabhängig von einer Stromquelle eine vollständige Rotordrehung durchzuführen
vermag und bei Vorhandensein einer Stromquelle auch kontinuierlich betrieben werden
kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den in der
Hauptpatentanmeldung beschriebenen und geschützten Magnetmotor dahingehend weiter
auszubilden, daß bei gleichem Motordurchmesser ein höheres Drehmoment erzielt werden
kann. Außerdem soll eine möglichst schmale Bauweise erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen definierte Erfindung
bzw. weitere Ausgestaltung der Hauptpatentanmeldung gelöst.
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Sowohl durch die Anordnung gemäß der Hauptpatentanmeldung als auch
durch die hier beschriebene Anordnung wird erreicht, daß der Rotor jeweils dann,
wenn er die genannte Stufe oder Schwelle überwunden hat, d.h. wenn er aus dem Fangbereich
der höchsten Magnetflußdichte in den Bereich niedrigster Magnetflußdichte bewegt
wurde, selbsttätig eine vollständige Umdrehung durchführt, um wieder in den Bereich
höchster Magnetflußdichte zu gelangen. Eine solche vollständige Rotorumdrehung wird
allerdings nur dann erreicht, wenn der Rotor nur einen einzigen Permanentmagneten
bzw. ein einziges Pol paar enthält. Enthält der Rotor mehrere Permanentmagnete bzw.
mehrere Polpaare, dann legt dieser jeweils nur einen entsprechenden Bruchteil einer
Umdrehung zurück. Die gewünschte Umdrehungszahl in dem anzutreibenden Gerät für
eine Maschinenoperation kann danndurch ein entsprechendes Übersetzungsgetriebe erreicht
werden.
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Das Herausbewegen des Rotors aus dem Fangbereich der höchsten Magnetflußdichte
erfolgt dann, wenn keine Stromquelle zur Verfügung steht, von Hand. Hierzu kann
auf der Rotorwelle ein Schalthebel oder ein mit einer Rändelung oder dgl. versehenes
Handrad drehfest angeordnet sein. Diese müssen zumindest teilweise aus dem Gerätegehäuse
herausragen. Die von Hand durchzuführende Hubbewegung zur Überwindung der genannte
Schwelle braucht nur sehr kurz zu sein und ist wesentlich einfacher durchzuführen
als das Drehen einer Handkurbel.
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Um bei Vorhandensein einer Stromquelle den Motor ohne manuellen Kraftaufwand
zum Laufen bringen zu können, kann beispielsweise ein Elektromagnet vorgesehen sein,
dessen Anker bei Erregung des Magneten auf den genannten, drehfest mit der Motorwelle
verbundenen Schalthebel einwirkt, um den Rotormagneten in den Bereich niedrigster
Magnetflußdichte zu bringen. Die Erregung des Elektromagneten und das damit verbundene
Ingangsetzen des Motors kann in diesem Falle durch kurzzeitiges Schließen eines
elektrischen Schalters erfolgen.
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Um bei Vorhandensein einer Stromquelle den Motor ohne manuellen Kraftaufwand
in Gang setzen zu können, ist es jedoch zweckmäßiger, innerhalb des Stators unmittelbar
an der mehrfach genannten Schwelle oder Stufe vom Bereich höchster Magnetflußdichte
zum Bereich niedrigster Magnetflußdichte eine elektromagnetische Wicklung vorzusehen,
die zur Überwindung der genannten Schwelle im gleichen Sinne wie der gerade in diesem
Bereich befindliche Rotormagnet erregt werden kann, so daß der letztere in Richtung
des Bereichs niedrigster Magnetflußdichte abgestoßen wird. Auf der Rotorwelle kann
außer bzw. neben dem genannten Schalthebel bzw. dem Griffrad eine Schleifring-Kontaktscheibe
angeordnet sein, welche so ausgebildet ist und mit zwei Schleifkontakten in der
Weise zusammenwirkt, daß immer dann, wenn der oder einer der Rotormagnete in den
Bereich höchster Magnetflußdichte gelangt, die genannte elektromagnetische Wicklung
zu dem obengenanntenZwecke erregt wird, so daß mittels des erfindungsgemäßen Motors
auch ein kontinuierlicher Betrieb wie mit herkömmlichen Elektromotoren möglich ist.
Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann im Magnetflußpfad der genannten elektromagnetischen
Wicklung ein Dauermagnet angeordnet sein, welcher im nicht erregten Zustand entgegengesetzte
Polung wie der bzw.
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die Rotormagnete aufweist, so daß er unterstützend auf die Anziehungskraft
des bzw. der Rotormagnete einwirkt, und zwar so lange, bis der bzw. einer der Rotormagnete
in seinen Fangbereich gelangt. In diesem Augenblick wird - wie bereits erwähnt -
über die Schleifringkontakte der Stromkreis für die elektromagnetische
Wicklung
geschlossen und durch das entstehende entgegengesetzt gerichtete elektromagnetische
Feld wird die Wirkung des Permanentmagneten überkompensiert.
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Um möglichst starke elektromagnetische Felder zu erhalten, d.h. um
ein möglichst hohes Motordrehmoment zu erzielen, ist es zweckmäßig, sowohl im Rotor
als auch im Stator Permanentmagnete vorzusehen. Die Statormagnete sind dann vorzugsweise
nach Art einer Spirale bzw. schraubenlinienförmig neben dem Rotor angeordnet, d.h.
zur Erzielung des Bereichs niedrigster Magnetflußdichte ist ein Permanentmagnet
relativ weit vom Rotor entfernt und ausgehend von diesem Permanentmagneten nähern
sich die weiteren Magnete kontinuierlich dem Rotor, um eine zunehmende Magnetflußdichte
zu erreichen. Der Bereich höchster Magnetflußdichte wird durch einen minimalen Abstand
des betreffenden Statormagneten zum Rotor erreicht. Dieser Permanentmagnet kann
- wie bereits oben beschrieben - durch die elektromagnetische Wicklung ersetzt bzw.
durch diese ergänzt werden.
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Die vorzugsweise stabförmigen Stator- und Rotormagnete sind radial,
d.h. stern- oder strahlenförmig zur Motorachse ausgerichtet. Um durch bloße Einwirkung
der Permanentmagnete eine vollständige Rotorumdrehung erzielen zu können, sollen
die Statormagnete möglichst dicht beieinander'liegen. Enthält der Rotor mehrere
Permanentmagnete, dann ist es zweckmäßig, das Verhältnis der Anzahl von Statormagneten
zu der Anzahl von Rotormagneten so zu wählen, daß sich ein noniusartiges Zusammenarbeiten
zwischen Rotor- und Statormagneten ergibt, d.h. daß gleichzeitig immer nur ein Magnetpaar
miteinander ausgerichtet ist.
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Es ist auch möglich, das in Umlaufrichtung des Rotors zunehmende magnetische
Feld durch in dieser Richtung zunehmend stärker werdende Magnete zu bilden. In diesem
Falle brauchen die Permanentmagnete nicht nach Art einer Schraubenlinie um den Rotor
angeordnet zu sein, sondern sie können den Rotor konzentrisch umgeben.
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Ebenso ist es möglich, die Statormagnete durch einen schraubenlinienförmig
ausgebildeten Mantel aus weichmagnetischem Material zu ersetzen. Die magnetischen
Kraftlinien der Rotor-Permanentmagnete sind auch in diesem Falle bestrebt, den Luftspalt
zu verkleinern, wodurch sich die gewünschte Drehung in Richtung des kleiner werdenden
Luftspaltes ergibt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der
beiliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In diesen zeigt Fig. 1 eine Vorderansicht
eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Magnetmotors in einer schematisierten
Darstellungsweise; Fig. 2 eine Seitenansicht einer Statorhälfte des in Fig. 1 dargestellten
Magnetmotors in Richtung der Pfeile 2-2 gesehen; und Fig. 3 eine Seitenansicht des
Rotors des in Fig. 1 dargestellten Magnetmotors in Richtung der Pfeile 3-3 gesehen.
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Fig. 4 eine stark schematisierte Abwicklung eines mehrere Rotorscheiben
und mehrere Statorteile aufweisenden Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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An den Innenflächen der Schenkel eines U-förmigen Ständerteils 1 sind
spiegelsymmetrisch zueinander zwei Statorhälften 2 und 3 befestigt. Zwischen diesen
beiden Satorhälften ist auf einer drehbeweglich in diesen gelagerten Motorwelle
4 ein scheibenförmig ausgebildeter Rotor 5 befestigt. In dem aus einem nichtmagnetischen
Material, beispielsweise Kunststoff, bestehenden Trägerkörper des Rotors 5 sind
drei stabförmige Permanentmagnete 6 (Fig. 3) radial zur Motorwelle 4 und zueinander
um 1200 versetzt angeordnet. Die Nordpole dieser Magnete sind nach außen und die
Südpole nach innen zur Motorwelle hin gerichtet.
In den beiden
Statorhälften 2 und 3, welche beispielsweise ebenfalls aus Kunststoff bestehen können,
sind jeweils sternförmig zur Motorwelle 4 eine Vielzahl von stabförmigen Permanentmagneten
7 angeordnet, deren Abstand von der Welle 4 ebenso groß ist wie der Abstand der
Rotor-Permanentmagnete 6 von der Welle 4. Die Nordpole der Stator-Permanentmagnete
7 sind jedoch nach innen zur Motorwelle 4 hin und die Südpole nach außen gerichtet,
sO daß ungleichnamige Stator- und Rotor-Magnetpole einander gegenüberliegen können.
Die Stator-Magnete 7 sind ferner in B£ug zu den Stirnflächen des Rotors 5, ausgehend
von einer Stufe 8 in jeder Statorstirnfläche, schraubenlinienförmig zurückversetzt,
um einen immer größer werdenden Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu erreichen.
Der der Stufe 8 der schraubenlinienförmig verlaufenden Ringfläche der beiden Statorhälften
2 und 3 und dem Rotor am nächsten liegende Permanentmagnet 9 beider Statorhälften
ist als Hufeisenmagnet ausgebildet und trägt eine elektromagnetische Wicklung 9.
Die Anschlußleiter 11 und 12 dieser Wicklungen sind nach außen geführt. Der Anschlußleiter
12 ist mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle und der Anschlußleiter 11 mit
einem ersten Schleifkontakt 13 einer mit der Welle 4 fest verbundenen Schleifring-Kontaktscheibe
15 verbunden. Ein zweiter Schleifkontakt 14 ist mit dem Pluspol der Spannungsquelle
verbunden.
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Um einen gleichmäßigen Abstand zwischen dem Rotor 5 und den beiden
Statorhälften 2 und 3 sicherzustellen, ist der Rotor beidseitig mit einem ringförmigen
konzentrischen Ansatz 17 versehen, während die beiden Statorhälften 2 und 3 planparallel
zu diesen Ansätzen 17 ausgebildete ringförmige Flächen 16 aufweisen.
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Die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Magnetmotors ist wie folgt: Da die Rotormagnete das Bestreben haben, sich in Richtung
der höheren Magnetflußdichte, d.h. in Richtung des kleiner werdenden Luftspaltes
zu bewegen, die maximale Magnetflußdichte jedoch für die in den Fig. 1 und 3 dargestellte
Rotorstellung noch für keinen der Rotormagnete 6
erreicht ist,
wird sich der Rotor 5 zunächst um 900 im Uhrzeigersinn weiterbewegen, wodurch der
obere Magnet in Fig. 3 mit dem Statormagnet 9 zur Deckung kommt. Dies ist die Stellung
maximaler Magnetflußdichte für den genannten Rotormagnet und somit würde der Rotor
in dieser Stellung zum Stillstand kommen.
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In dieser Rotor- und Schleifringstellung wird über die Schleifkontakte
13 und 14 die elektromagnetische Wicklung 10 des Statormagneten 9 mit der Spannungsquelle
verbunden und erregt.
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Dadurch wird das Magnetfeld dieses Magneten kompensiert und ein Magnetfeld
in Gegenrichtung aufgebaut, so daß der entsprechende Rotormagnet abgestoßen und
der Rotor, unterstützt durch die Wirkung der beiden anderen Rotormagnete, sich weiterdrehen
kann.
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Damit ist die genannte Schwelle zwischen höchster und niedrigster
Magnetflußdichte überwunden und der Rotor kann ohne Zufuhr elektrischer Engergie
weiterdrehen bis der nächsto der drei Rotormagnete 6 diese Schwelle erreicht.
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Das in Fig. 4 in Form einer stark schematisierten Abwicklung dargestellte
weitere Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus drei auf einer einzigen Motorwelle
MW befestigten Rotorscheiben R1, R2 und R3, die zwischen jeweils zwei von insgesamt
vier Statorteilen St1 bis St4 angeordnet sind. Da die Stator-und Rotormagnete (es
wurde jeweils nur ein Rotormagnet dargestellt, obwohl auch bei diesem Ausführungsbeispiel
mehrere, z.B. drei Rotormagnete pro Rotorscheibe vorgesehen sein können) auch in
diesem Ausführungsbeispiel strahlenförmig angeordnet sind, sind in der Abwicklung
nur die jeweils äußeren Pole zu sehen, d.h. bei allen Statorteilen liegen die Südpole
außen, während die Polung der Rotormagnete abwechselt. Da nämlich durch die schraubenlinienförmige
Anordnung der Statormagnete Statorpaare mit in Drehrichtung (angedeutet durch die
Pfeile) kleiner werdendem Luftspalt und Statorpaare mit in Drehrichtung größer werdendem
Luftspalt gebildet werden, müssen zur Erzielung einer einheitlichen Drehwirkung
die Rotormagnete zwischen den zuerst genannten Statorpaaren ungleichnamig zu
den
benachbarten Statormagneten gepolt sein, während die Rotormagnete zwischen den zuletzt
genannten Statorpaaren gleichnamig zu den benachbarten Statormagneten gepolt sein
müssen. Im ersten Falle erfolgt die Drehwirkung durch anziehende und im zweiten
Falle durch abstoßende Kräfte. Der Rotor R1 arbeitet somit in der bereits im Zusammenhang
mit den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Weise mit den Statorteilen St1 und St2 zusammen,
wobei sein ungleichnamig zu den Statormagneten gepolter Magnet und damit die Rotorscheibe
in Richtung des kleiner werdenden Luftspaltes gezogen wird. Die Rotoren R2 und R3
liegen dagegen zwischen den Statorpaaren St1 und St3 bzw. St2 und St4, welche in
Drehrichtung einen größer werdenden Luftspalt bilden. Da die Magnete dieser Rotoren
jedoch gleichnamig zu den Statormagneten gepolt sind, werden sie aufgrund der abstoßenden
Kräfte in Richtung dieses größer werdenden Luftspaltes gedrängt, so daß alle drei
Rotoren im gleichen Drehsinn auf die Motorwelle wirken.
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Die Schwelle von der höchsten zur niedrigsten Magnetflußdichte im
Falle des Systems St1 - R1 - St2 und die Schwelle von der niedrigsten zur höchsten
Maq Magnetflußdichte im Falle der Systeme St3 - R2 - St1 und St2 - R3 - St4 kann
wieder durch über eine Schleifringanordnung gesteuerte Elektromagnete EM Uberwunden
werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind an den jeweils äußeren Statorteilen
St3 und St4 unmittelbar nach der Schwelle starke Elektromagnete vorgesehen, die
in ihrem nichterregten Zustand als Permanentmagnete arbeiten. Werden sie erregt,
wird ihre Polung umgekehrt, so daß sie in anziehendem Sinne auf die Magnete der
Rotoren R2 und R3 wirken. Nach Überwinden der Schwelle werden die Elektromagnete
wieder entregt und die Rotoren drehen wieder ausschließlich durch die Wirkung der
Permanentmagnete weiter.