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Elektrisch-mechanischer Wandler
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch-mechanischen Wandler
mit rotierenden dauermagnetischen Bereichen mit abwechselnd entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung,
die koaxial zur Rotationsachse angeordnet sind. Den Polen der magnetischen Bereiche
ist jeweils ein Pol schuh eines magnetischen Rückschlußkerns zugeordnet, der mit
einer Induktionsspule versehen ist.
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Es sind elektrische Maschinen bekannt, bei denen die Wicklung koaxial
in einem Maschinenteil aus dauermagnetischem Werkstoff angeordnet ist. Durch einen
rotierenden Anker mit Zähnen wird der magnetische Fluß des Dauermagneten in ständigem
Wechsel geschlossen und unterbrochen. In dieser Anordnung ist innerhalb der Spule
kein Richtungswechsel des Magnetflusses möglich, sondern der Fluß ändert sich nur
mit der Größe der Induktion. In einer verbesserten Ausführungsform der elektrischen
Maschine enthält deshalb der Magnetkreis eine flache Magnetscheibe aus dauermagnetischem
Oxidwerkstoff,
die in axialer Richtung magnetisiert ist.
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Diese Magnetscheibe enthält auf ihrem Umfang verteilt mehrere Pole
wechselnder Richtung. Die Wicklung der Maschine ist koaxial zu der Ringscheibe aus
Dauermagneten angeordnet. Der Magnetkreis ist durch relativ zur Ringscheibe rotierende
Pol schuhe aus magnetisch leitendem Material geschlossen, die so geformt sind, daß
sie den Magnetfluß jeder einzelnen Polarität abwechselnd durch die Spule und um
die Spule herumfuhren. In einer Ausführungsform enthält der Ständer zu jedem Magnetpol
des Läufers einen Polschuh, von denen jeder mit einer Wicklung versehen ist, die
entweder im Inneren der Ringscheibe oder an deren Umfang angeordnet sein kann. Die
Anordnung der Wicklung ist jedoch verhältnismäßig kompliziert (DE-AS 1 052 538).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Vorrichtung
zu vereinfachen und zu verbessern, insbesondere soll der Wirkungsgrad der Maschine
erhöht werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine ringförmige
Anordnung von flachen Dauermagneten mit senkrecht zu ihren Flachseiten verlaufender
Magnetisierung vorgesehen ist, deren Polflächen jeweils ein Polschuh derart zugeordnet
ist, daß gleichnamige Pole über ihren Polschuh den Magnetfluß in der gleichen Richtung
durch einen gemeinsamen Rückschlußkern führen.
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In dieser Ausführungsform des Wandlers mit jeweils einem getrennten
Polschuh auf den beiden Flachseiten der dauermagnetischen Bereiche des Läufers wird
der Rückschlußkern mit der Läuferdrehung von einem Magnetfluß durchsetzt, der seine
Richtung ändert, sobald sich die einzelnen Magneten unter dem folgenden Pol schuh
des Rückschlußkerns bewegen. In der Induktionsspule wird
somit ein
Strom wechselnder Polarität erzeugt. Der Generator hat nur eine geringe Ausdehnung
und einen einfachen Aufbau. Bei Verwendung hochwertiger Magnete für die magnetischen
Bereiche des Läufers, beispielsweise Magnete auf der Basis von Samarium und Kobalt
SmCo5, erhält man eine weitere Verkleinerung und damit eine Miniaturausführung des
Wandlers bei gleicher Ausgangsleistung.
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Als Lagerung des Läufers kann vorzugsweise eine magnetische Schwebelagerung
vorgesehen werden, um Reibungsverluste gering zu halten.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in der verschiedene AusfUhrungsbeispiele eines elektrisch-mechanischen
Wandlers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.
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Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Wandler mit einem Zahnradantrieb
für den Läufer. In Figur 2 ist die Anordnung der magnetischen Bereiche des Läufers
dargestellt. Figur 3 zeigt eine besondere Ausführungsform des Wandlers mit zwei
Magnetspulen. In Figur 4 ist eine Ausführungsform des Wandlers mit einer besonderen
Gestaltung des Läufers veranschaulicht. In Figur 5 ist die Anordnung der Magnete
in der Ausführungsform nach Figur 4 dargestellt.
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In der Ausführungsform des elektrisch-mechanischen Wandlers nach Figur
1 ist ein Läufer mit 2 bezeichnet, der als magnetische Bereiche Dauermagnete 3 und
8 enthält, die vorzugsweise aus magnetischem Material auf der Basis von Samarium
und Kobalt bestehen können. Die Dauermagnete 3 und 8 sind flach gestaltet und mit
entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Ebene ihrer Flachseiten
in Richtung der Rotationsachse 11 des Wandlers magnetisiert, was in der Figur
durch
die Bezeichnung der Nord- und Südpole mit N bzw. S angedeutet ist. Den Polflächen
der Dauermagnete 3 und 8 ist jeweils ein Polschuh zugeordnet, der über einen Steg
derart mit einem der Enden eines zylindrischen Rückschlußkerns 20 verbunden ist,
daß die den Nordpolen N zugeordneten Polschuhe 12 und 14 den magnetischen Fluß der
Dauermagnete 3 und 8 über ihre Stege 16 bzw. 18 dem einen Ende des Rückschlußkerns
20 zuführen.
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Der Kreis wird über das andere Ende des Rückschlußkerns 20, weiter
über die Stege 17 und 19 sowie die Polschuhe 13 bzw. 15 über die Südpole der Dauermagnete
3 und 8 geschlossen. Koaxial zum Rückschlußkern 20 ist eine Induktionsspule 22 angeordnet,
deren elektrische Anschlußleiter zur Vereinfachung in der Figur nicht dargestellt
sind.
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Der Läufer 2 besteht aus nichtmagnetischem Material und ist an dem
oberen Ende des magnetischen flückschlusses 20 drehbar gelagert. Er kann beispielsweise
an seinem Umfang mit einem Zahnkranz 24 versehen sein, der zu einem Zahnradantrieb
26 gehört. Das Zahnrad 24 wird durch ein weiteres Zahnrad 28 angetrieben, das mit
einer Antriebswelle 30 versehen ist.
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Die zur Verfügung stehende Energie, insbesondere ergonomische Energie,
kann direkt der Antriebswelle 30 zugeführt werden. Sie wird jedoch vorzugsweise
aus einem entsprechend dimensionierten mechanischen Speicher, beispielsweise einer
Spiral-, Kegel-, Gummi-, Druck-, Blatt- oder auch Luftfeder, durch Auslösen einer
Verriegelung über den Antrieb 26 dem Läufer 2 des Wandlers geliefert.
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Die magnetischen Bereiche des Läufers 2 bestehen nach Figur 2 aus
beispielsweise 8 Dauermagneten, die mit
jeweils abwechselnder Magnetisierungsrichtung
in Richtung der Rotationsachse 11 magnetisiert sind und in der Figur mit 3 bis 10
bezeichnet sind. Die an der gleichen Flachseite des Läufers 2 angeordneten Polschuhe
des magnetischen Rückschlußkerns 20 befinden sich jeweils abwechselnd über einem
Nordpol und einem Südpol. Mit der Drehung des Läufers wird dem Rückschlußkern 20
somit jeweils ein Magnetfluß wechselnder Richtung zugeführt, der in der Induktionsspule
22 elektrische Impulse wechselnder Polarität erzeugt.
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In der besonderen Ausführungsform eines elektrischmechanischen Wandlers
nach Fig. 3 mit einem besonders kompakten Aufbau ist oberhalb des Läufers 2 noch
eine zusätzliche Induktionsspule 24 angeordnet, die ebenfalls von einem magnetischen
Rückschlußkern 26 durchsetzt ist. In dieser Ausführungsform des Wandlers schließt
sich der aus der oberen Polfläche des Magneten 3 austretende Magnetfluß über den
Polschuh 12, den Steg 16, den Rückschlußkern 26 und den Steg 17 sowie den Polschuh
15 zum Magneten 8. In gleicher Weise wird der magnetische Fluß von den unterhalb
des Läufers 2 angeordneten Polschuhen 13 und 14 mit Hilfe ihrer Stege 17 und 18
über den Magnetkern 20 der unteren Induktionsspule 24 zugeführt. Die Induktionsspulen
22 und 24 können beispielsweise elektrisch hintereinandergeschaltet sein, was in
der Figur nicht dargestellt ist.
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In dieser Ausführungsform kann der Läufer 2 des Wandlers beispielsweise
mit einem Antrieb 30 versehen sein, dessen Antriebsachse 32 durch den hohlzylindrisch
gestalteten Magnetkern 26 hindurchgeführt ist. Das untere Ende der Antriebswelle
32 kann beispielsweise als Spitzenlager 34 ausgebildet sein. Zu diesem Zweck ist
das obere Ende des Rückschlußkerns 20 mit einer
entsprechenden Profilbohrung
versehen. Dem oberen Ende der Antriebswelle 32 wird die Antriebsenergie zugeführt,
was in der Figur lediglich durch ein Handrad 36 angedeutet ist.
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In der Ausführungsform des Wandlers nach Fig. 4 sind die Dauermagneten
43 und 48 mit ihren Flachseiten in Richtung der Rotationsachse 11 derart angeordnet,
daß ihre Magnetisierungsrichtung radial zur Rotationsachse 11 verläuft. Den Magnetpolen
der Magneten 43 und 48 ist jeweils ein Polschuh zugeordnet, die in der Figur mit
53, 54 sowie 63 und 64 bezeichnet sind. Die den Nordpolen zugeordneten Pol schuhe
53 und 64 führen den magnetischen Fluß jeweils über einen Steg 70 bzw. 72 zum unteren
Ende eines Rückschlußkerns 74, der von einer Induktionsspule 76 umgeben ist. In
gleicher Weise wird der Magnetfluß vom oberen Ende des Rückschlußkerns 74 über Stege
78 und 80 und die Pol schuhe 54 bzw. 63 zu den zugeordneten Dauermagneten 43 bzw.
48 zurückgeführt.
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In dieser Ausführungsform des Wandlers kann der in der Figur lediglich
durch die Schnittflächen seiner Dauermagnete 43 und 48 erscheinende Läufer beispielsweise
mit einem in der Figur nur angedeuteten Drehkäfigantrieb 81 versehen sein.
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Die Anordnung der Dauermagnete 43 bis 50 als magnetische Bereiche
des Läufers 2 mit radialer Magnetisierung und abwechselnder Magnetisierungsrichtung
ist der Darstellung nach Fig. 5 zu entnehmen. Den beiden Polen jedes der Dauermagneten
43 bis 50 ist jeweils ein Polschuh zugeordnet, die in der Figur mit 53 bis 68 bezeichnet
sind.
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Im Ausführungsbeispiel wurde ein Generator zur Umsetzung von mechanischer
in elektrische Energie beschrieben. Der Magnetspule 22 kann jedoch auch elektrische
Energie zugeführt werden. Dann wird im Kern 20 ein magnetisches Feld erzeugt, das
sich den magnetischen Flüssen der Magneten, beispielsweise 3 und 8, über lagert.
Die entstehenden magnetischen AbstoBungs- bzw.
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Anziehungskräfte bewirken einen entsprechenden Antrieb des Läufers
2, so daß mit einer derartigen Anordnung elektrische Energie in mechanische Energie
umgewandelt werden kann.
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5 Patentansprüche 5 Figuren