DE3317813A1 - Verfahren und vorrichtung zum umsetzen der schwingbewegungen oszillierender anker in drehbewegungen von rotoren - Google Patents

Description

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Dipl.-Ing.
Hubert Bald
Schützenstr. 1

5920 Bad Berleburg

Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen der Schwingbewegungen oszillierender Anker in Drehbewegungen von Rotoren.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen der Schwingbewegungen oszillierender Anker in gleichsinnige Drehbewegungen von Rotoren.

Der Ausdruck "Anker" soll hier im allgenie in s ten Sinne verstanden werden, das heißt, es kann sich um irgendeine schwingende Masse handeln. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch insbesondere für den Abtrieb von sogenannten Freiflugkolben-Verbrennungsmotoren gedacht. Bei solchen Motoren führt der Kolben je nach der Leistungsbilanz und der Zündfolge eine Schwingbewegung aus, die sowohl hinsichtlich der Frequenz als auch der Amplitude großen Schwankungen unterliegt. Eine linear oszillierende Bewegung ist jedoch für sehr viele technische Anwendungsfälle wenig geeignet; benötigt wird vielmehr im allgemeinen ein an einer Welle zur Verfügung stehendes gerichtetes Drehmoment.

Es ist ohne weiteres möglich, die Schwingbewegung in eine Drehbewegung umzusetzen, wenn man z.B.

mittels des Ankers in einer Tauchspule ein elek-

trisches Wechselfeld durch Wechselwirkung mit einem Magnetfeld erzeugt, und mit diesem Wechselfeld kann man dann unter Zuhilfenahme z.B. von Phasenschiebereinrichtungen ein Drehfeld erzeugen, mit dem dann ein herkömmlicher Motor, beispielsweise ein Asynchronmotor angetrieben wird. Dieses zumindest theoretisch bekannte Umsetzverfahren weist demgemäß die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale auf. Die dem schwingenden System entnommene Energie wird dabei einer mehrfachen Wandlung unterworfen einschließlich der Umformung in elektrische Energie. Jede Umsetzung von einer Energieform in die andere ist mit Verlusten behaftet, so daß der Gesamtwirkungsgrad relativ schlecht ist.

Darüberhinaus sind elektromagnetische Umsetzer schwer und, wegen insbesondere bei hohem Leistungsumsatz im Dauerbetrieb erforderlichen erheblichen Massen an elektrisch leitendem Material (Kupfer)» auch teuer.

Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, von dem Anker über eine Klinke in ein Steigrad einzugreifen, das durch eine Sperrklinke an der Rückdrehung gehindert wird, oder irgendeine andere Bauart eines mechanischen Gleichrichters vorzusehen. In den meisten Fällen, insbesondere bei hohem Leistungsumsatz, wird eine solche Lösung wegen Verschleißproblemen ausscheiden·

Der berührungslosen Umsetzung über Magnet's⁰ feider ist daher der Vorzug zu geben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen derart auszugestalten, daß nur ein Minimum an Energieumsetzvorgängen stattfindet.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Demgemäß ist mindestens ein Magnetfelderzeuger vorgesehen, der ein Gleichfeld erzeugt. Da gemäß der Erfindung das Drehmoment am Rotor durch die Einwirkung von magnetischen Wechselfeldern auf den Rotor erzeugt werden soll, wird der schwingende Anker selbst und unmittelbar als "Schalter" benutzt, der das magnetische Gleichfeld alternierend auf unterschiedliche magnetisch leitende Pfade schaltet, in denen dann Wechselflüsse vorliegen. Diese kann man am Rotorumfang ähnlich wie ein Drehfeld wirksam werden lassen.

Der Umweg über die elektrische Energieform entfällt mithin, woraus sich erhebliche Einsparungen an Keterial, Fertigungsarbeit und Verlustleistung ergeben.

Im Prinzip kann man bereits mit einem zweiphasigen Drehfeld, das also zwei um 180° phasenverschobene Komponenten aufweist, die Drehung eines Rotors bewirken, wenn durch irgendwelche Hilfs mittel dafür gesorgt wird, daß der Rotor gleich sinnige Umläufe ausführt und nicht nur hin und her pendelt. Solche Hilfsmittel können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch eine Hilfsspule mit Phasenverschiebung gebildet werden, die dann aller dings zweckmäßigerweise nur einen geringen Anteil des Energieumsatzes übernimmt.

Bei solchen zweiphasigen Ausführungen, die nicht zum Selbstanlauf fähig sind, wird man dem Rotor in aller Regel eine mit entsprechendem Trägheitsmoment behaftete Schwungmasse zuordnen, so daß eine Desynchronisation nicht befürchtet werden muß, wenn die nur für die Anfangssynchronisierung zwischen Rotor und Anker benötigte Hilfseinrichtung wieder abgeschaltet wird.

Wie später anhand eines Ausführungsbeispiels noch erläutert werden wird, kann eine ohne weitere Hilfsmittel zum Selbstanlauf befähigte Wandleranord-

nung so ausgebildet werden, daß sie von einem einzigen Anker angetrieben wird, indem während einer Schwingungsperiode des Ankers an je einem Umkehrpunkt der Schwingbewegung einmal und bei Durchgang durch die Mittellage des Ankers zweimal eine Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses vorgenommen werden.

Eine weitere im Rahmen der Erfindung liegende Möglichkeit besteht darin, daß zwei Anker phasenverschoben um z.B. 90° schwingen und auf einen Rotor gemeinsam einwirken, so daß jedes Gleichfeld nur in zwei Felder zu kommutieren ist, wobei sich dann ein •vierphasiges Drehfeld ergibt.

Einer solchen Anordnung steht es gleich, wenn jeweils ein Anker und ein Rotor zweiphasig zusammenwirken, die Rotoren aber mechanisch gekoppelt sind,

bo daß wieder eine vierphasige Konstruktion vorliegt, bei der nur die Wechselfelder auf zwei getrennten, aber synchron umlaufenden Rotormantelflächen wirken. Andererseits können aber auch mehr als zwei Anker auf einen gemeinsamen Rotor oder, allgemeiner gesagt, auf einen gemeinsamen Abtrieb mit zwangssynchronisierten Rotoren einwirken, wobei die Anker etwa sternförmig angeordnet sind.

Im Falle von Freiflugkolbenmotoren wären deren als Ankerantrieb wirksame Kolben miteinander so zu synchronisieren, daß sie die entsprechende Phasenverschiebung zueinander aufweisen; dies kann durch entsprechende Phasenverschiebung der Zündzeit punkte oder aber durch Selbstsynchronisation er folgen.

Es ist aber auch möglich und gegebenenfalls bevorzugt, ein Bewegungswandlungssystem Schwingung/ Drehung für einen einzigen Anker und ohne Hilfsspule im Rahmen der vorliegenden Erfindung auszubilden, wenn dafUr gesorgt wird, daß das mindestens eine Gleichfeld in ein mehrphasiges, vorzugsweise vierphasiges Wechselfeld durch Hilfsbewegungen von relativ zueinander verschieblichen und/oder drehbaren Bau teilen kommutiert wird.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, den oszillierenden Anker selbst als Rotor auszubilden. In diesem Falle kann die umgesetzte Drehbewegung auch zur Steuerung eines Drehschiebers eingesetzt werden, wenn beispielsweise mit dem Anker ein Kolben zum Fördern von gasförmigen oder flüssigen Medien verbunden ist.

Bevor Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden, sollen noch einige grundsätzliche Bemerkungen vorangeschickt werden.

Bei "klassischen" dreiphasigen Synchronmaschinen wandert das aus der Summe der drei Wechselfelder gebildete Drehfeld mit zeitlich konstanter Amplitude und gleichbleibender Geschwindigkeit um den Maschinenumfang. Bei konstanter Momentenbelastung bleibt die Polachse des Rotors hinter der Polachse des Stators um einen der Belastung entsprechenden konstanten Polradwinkel zurück. Im Gegensatz dazu wandert bei den Vorrichtungen gemaß der Erfindung das aus der Summe der Einzelfelder entstehende "Drehfeld" sprunghaft über den Maschinenumfang, und da der Rotor nicht sprunghaft, sondern annähernd kontinuierlich umlaufen soll, verändert sich der entsprechende "Polradwinkel" ebenfalls sprunghaft. Nach einer sprunghaften Vergrößerung des Polradwinkels erfolgt bis zum nächsten Sprung eine kontinuierliche Verkleinerung.

Wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Selbstanlauf fähig sein soll, muß dafür gesorgt werden, daß das durch die Einwirkung von Wechselfeldern auf den Rotor erzeugte Drehmoment über eine volle Umdrehung des Rotors von 360° an jedem beliebigen Drehwinkel einen Null übersteigenden Wert besitzt. Die Größe darf allerdings und wird auch innerhalb eines Umlaufes zwischen unterschiedlichen Werten schwanken.

Fällt jedoch das Drehmoment ein- oder mehrmals während eines Rotorumlaufs auf Null, ist der Selbstanlauf nicht mehr gewährleistet. In diesem Falle müssen die antriebsmomentfreien Winkelstrecken durch eine entsprechende Schwungmasse überbrückt werden. Trotz des fehlenden Selbstanlaufs können jedoch solche Vorrichtungen wegen ihres einfachen Aufbaus vorteilhaft sein, insbesondere dann, wenn nur ein einziger schwingender Anker zur Verfügung

steht. Es versteht sich, daß bei Abgabe eines Nutzmomentes die Schwungmasse ausreichend groß bemessen sein muß, um auch noch das Nutzmoment in den antriebsmomentfreien Intervallen zu liefern. Darüber hinaus ist es dann auch erforderlich, daß eine Synchronisation zwischen Anker und Rotor durch irgendwelche Hilfsmittel vorgenommen wird. Wenn ein solches System beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mittels eines Freiflugkolbenverbrennungsmotors bestimmt ist, wird es erforderlich sein, den Antriebsmotor derart zu steuern oder zu regeln, daß ein Außertrittfallen (Desynchronisation) und daraus resultierendes Stillstehen des Abtriebs unmöglich sind.

In der Erläuterung der Ausführungsbeispiele wird zunächst auf solche nicht zum Selbstanlauf fähigen Vorrichtungen eingegangen, und danach werden selbstanlauffähige Wandlersysterne behandelt.

Die Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den·beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend im einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt weitgehend schematisiert einen Axialschnitt nach Linie C-D der Figur 2 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ist eine Schnittansicht nach Linie A-B der Figur 1,

Fig. 3u.4 zeigen analog Figuren 1 und 2 eine weitere Ausführungsform,

Fig. 5u.6 zeigen in analoger Darstellung eine

dritte Ausführungsform,

Fig. 7u.8 stellen in ähnlicher Weise eine weitere Ausführungsform dar, wobei die Figur 7 einen Schnitt entsprechend der geknickten Schnittlinie E-F der Figur 8 ist,

Fig.9 ist ein weitgehend schematisierter Teilaxialschnitt durch eine Anordnung, bestehend aus einem Freiflugkolbenexplosionsmotor, einem Bewegungswandlungssystem gemäß der Erfindung und einer

Pumpe mit Ventilschlitzen,

Fig.10 ist eine Teilabwicklung der Steuerschlitze etwa im Bereich Q der Figur 9,

Fig.11 zeigt im weitgehend schematisierten Längsschnitt eine Vorrichtung zur Durch

führung des Verfahrens, die selbstanlaufend ist,

Fig.12 ist ein Schnitt nach Linie 2-2 der Figur

11»

Fig.13 ist ein Schnitt nach Linie 3-3 der Figur

11»

Fig.14 zeigt in 8 Phasen schematisch die Bewegungsverläufe der Polzähne bei der Vorrichtung nach Figur 11, wobei die Ansicht von innen über sechs Segmente

abgewickelt gezeichnet worden ist,

Fig.15 zeigt im Axialschnitt eine weitere Ausführung sform,

Fig. 1€a-16d stellen Teilradialschnitte aus Figur in Höhe der einzelnen Luftspalte dar,

Fig.17 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform,

Fig.18 dient der Erläuterung einer Variante der Ausführungsform nach Figur 17.

In den Figuren 1 und 2 ist die Welle 350 des Rotors mittels Wälzlagern 352 und 354 relativ zu den stationären Bauteilen drehbar gelagert. Eine Schwungmasse in Form einer Scheibe 358 ist fest mit der Welle verbunden. Die Welle 350 besteht aus nichtmagnetisierbarem Material; mit ihr ist jedoch ein Rotormagnet 356 fest verbunden, der radial zweipolig magnetisiert ist und als Permanentmagnet ausgebildet ist. Der Anker 360 wird hier als fest mit einer hin- und herschwingenden Kolbenstange eines Freiflugkolbenmotors verbunden angenommen. Der Anker 360 ist hier in seiner linken Endposition gezeigt; es kann in Richtung des Pfeiles 362 einen Schwingungshub "A" durchlaufen. Der Anker trägt im Abstand "H" zwei radial magnetisierte Permanentmagnete 364 bzw. 366. Ihre Form ist ähnlich der des Rotorpermanentmagnets 356. Die beiden Permanentmagnete 364 und 366 sind in 180° umgekehrter Richtung magnetisiert. In der rechten Endstellung des Ankers nimmt der Permanentmagnet 366 die Position ein, die in der Zeichnung, die ja die linke Endstellung darstellt, der Magnet 364 einnimmt. Es versteht sich, daß der Anker in Querrichtung abgestützt ist, doch ist dies in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Anker selbst besteht aus nichtmagnetisierbarem Material.

Aus magnetisch gut leitendem Material dagegen bestehen der obere Polschenkel 368 und der untere Polschenkel 370. Sie werden von Rahmenteilen 372 und 374 aus nichtmagnetisierbarem Material gehalten.

Es sei angenommen, daß der Anker seine Schwingbewegung mit dem Hub "A" mit einer bestimmten Frequenz ausführt, und daß der Rotor,dem zunächst kein Nutz-

ORiGfNAL JNiSPECTED

moment abverlangt werden soll, durch irgendein Hilfsmittel auf eine der Ankerfrequenz entsprechende synchrone Drehzahl gebracht worden ist. In der in der Figur 1 dargestellten linken Endstellung des Ankers durchsetzt dann das vom Permanentmagnet 364 ausgehende Feld mit der in der Zeichnung markierten Polarität die Polschenkel 368 und 370 und damit auch den Rotorluftspalt 376 und wirkt auf den Rotorpermanentmagnet 356, wobei auf diesen ein Drehmoment in Richtung des Pfeiles 378 erzeugt wird. Dies führt zu einer geringfügigen Beschleunigung des Rotors nebst dessen Schwungscheibe 358 und die Schwungscheibe speichert Energie, die hinreichen soll, die im weiteren Verlauf des Rotorumlaufs bis zu einer erneuten Beschleunigung auftretenden verzögernden Bremsmomente ohne Verlust der mittleren Synchrondrehzahl zu überwinden. In der dargestellten Position ist der Anker nach zuvor erreichter linker Endstellung soeben im Begriff, die Bewegung in Richtung des Pfeiles 362 einzuleiten, um die rechte Endstellung anzunehmen. Nach Zurücklegen des halben Hubes "A/2" durch den Anker hat sich der Rotor um etwa 90° gedreht. Bei weiterer Bewegung des Ankers in Richtung des Pfeiles 362 beginnt nun der zweite Ankermagnet 366 in den Bereich der Polschuhe 380, 382 der Polschenkel 368, 370 einzutauchen, wobei sich in den Polschenkeln ein Magnetfeld mit bezüglich der vorherigen Polarität umgekehrter Polarität aufbaut und entsprechend auch der Rotorluftspalt 376 durchflutet wird. Dadurch wird erneut ein Drehmoment auf den Rotormagneten 356 ausgeübt, der inzwischen einen Winkel von mehr als 90° durchlaufen hat, ausgehend von der Position, die er bei Beginn des nach rechts verlaufenden Hubes hatte. Auch dieses zweite antreibende Drehmoment wirkt in Richtung des Pfeiles 378. Nach Erreichen der rechten Endstellung

des Ankers hat der Permanentmagnet 366 die Position erreicht, die der Permanentmagnet 364 in der linken Endstellung hatte, und der Rotor hat sich um etwa 180° gedreht. In der weiteren Abfolge laufen die beschriebenen Vorgänge sinngemäß erneut ab, wenn der Anker wieder in die linke Endstellung zurückkehrt.

Wird der Rotor durch ein Bremsmoment belastet, so bleibt er um einen bestimmten Polradwinkel gegenüber der Winkelstellung des unbelasteten Rotors zurück. Wenn das Bremsmoment zu hoch wird, wird dieser Polradwinkel zu groß und der Rotor fällt außer Tritt, womit er in aller Regel zum Stillstand kommt. Wird dem Rotor von außen ein zusätzliches Antriebsmoment zugeführt, kann der Polradwinkel auch in umgekehrter Richtung eine Voreilung des Rotors bewirken, wobei von dem Rotor dann Energie auf den Anker übertragen wird.

Es versteht sich, daß anstelle des einzigen Polpaares gemäß Figuren 1 und 2 auch mehrere Polpaare vorgesehen sein können. Zweckmäßigerweise werden dann Rotormagnet und Ankermagnete gleiche Polpaarzahl besitzen. Man kann auch die Polschenkel auf der Stator seite drehbar anordnen und den Rotormagnet stationär anordnen, wobei die Polschenkel Teile der Schwungmasse bilden würden. Dabei wäre allerdings der Anker drehfest anzuordnen.

In den Figuren 3 und 4 entspricht der Zeichnungsteil oberhalb der Wellenmitte in Figur 3 dem Schnitt C-O, während der Zeichnungsteil unterhalb der Wellenmittai den Schnitt 0-D in Figur 4 wiedergibt.

Die aus nichtmagnetisierbarein Material bestehende Welle 400 des Rotors ist mittels Wälzlagern 402 und 404 relativ zu den stationären Teilen der Vorrichtung drehbar gelagert. Mit der Rotorwelle 400 ist die Schwungmasse in Form einer Scheibe 410 fest verbunden. Die Rotorwelle trägt ferner mit ihr fest verbundene Permanentmagnete 406 und 408, die in Radialrichtung zweipolig magnetisiert sind, und deren Polachsen zueinander um 90° versetzt sind.

Der schwingende Anker 412 wird als fest mit der Kolbenstange eines im übrigen nicht dargestellten Freiflugkolbenmotors verbunden angenommen. Er ist in der linken Endstellung des Ankerhubes "A" dargestellt. Mit dem Anker ist fest verbunden ein Magnetflußschalter 416 aus magnetisch gut leitendem Material. Der Anker schwingt um seine Mittelstellung und nimmt nach Durchlaufen des Hubes "A" in Richtung des Pfeiles die gestrichelt in Figur 3 angedeutete Position an. Während der eigentliche Anker aus nichtmagnetisierbarem Material, beispielsweise Aluminium, besteht, ist stationär ein Permanentmagnet 418 mit Polschuhen 420 und 422 aus magnetisch gut leitendem Material vorgesehen. Ihm steht um 180° versetzt, in der Zeichnung nicht erkennbar, ein weiterer Permanentmagnet gegenüber, der in umgekehrter Richtung magnetisiert ist, und dem Polschuhe 424 und 426 zugeordnet sind. Ein weiterer Permanentmagnet 428 weist Polschuhe 430 und 432 auf, und auch ihm steht um 180° versetzt ein in der Zeichnung nicht sichtbarer zweiter Permanentmagnet mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung gegenüber, dem die Polschuhe 434 und 436 zugeordnet sind. Die das ganze System haltenden Rahmenteile 438, 440, 442 und 444 bestehen aus nichtmagnetisierbarem Material, beispielsweise Aluminium.

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Hinsichtlich der Anlaufbedingungen gelten die gleichen Überlegungen, wie sie oben unter Bezunahme auf Figuren 1 und 2 erörtert wurden.

In der gezeichneten linken Endstellung des Ankers 412 werden durch die Herstellung einer magnetisch gut leitenden Verbindung durch den Magnetflußschalter 416 zwischen den Polschuhen 422 und 426 die magnetischen Flüsse des Permanentmagneten 418 und des ihm gegenüberliegenden in der Zeichnung nicht dargestellten Permanentmagneten abgesehen vom Streufeld ausschließlich über die Polschuhe 420 und 424 und die Rotorluftspalte 446 auf den Rotormagneten 406 zur Einwirkung gebracht. Auf diese Weise entsteht am Rotormagnet 406 ein Drehmoment, das in Richtung des Pfeiles 448 wirkt.

Hinsichtlich der Energieübertragung auf den Rotor und der Synchronisierung zwischen Rotorumlauf und Ankerschwingungen liegen ähnliche Verhältnisse vor wie bei der Ausführungsform nach Figuren 1 und 2, jedoch mit dem Unterschied, daß in der rechten Endstellung des Ankers ein Drehmoment auf den Rotormagneten 408 ausgeübt wird, hervorgerufen durch den Aufbau eines anderen Magnetfeldes, an dem nun der Permanentmagnet 428 und der ihm gegenüberliegende nicht gezeichnete Permanentmagnet beteiligt sind, wobei der Fluß durch die Polschuhe 430, 432, und 436 läuft.

Es versteht sich, daß wie auch bei der Ausführungsform nach Figuren 1 und 2 die Rotormagnete und die zugehörigen stationären Magnetfelderzeuger

mit ihren Polschuhen eine größere Anzahl an Polpaaren aufweisen könnten, als in der Zeichnung dargestellt. Ebenso sind auch hier die Funktionen von Rotor und Stator vertauschbar.

Bei der Ausführungsform nach Figuren 5 und 6 ist eine Rotorscheibe 470 mittels ihres Wellenstumpfes 473 aus magnetisch nicht leitendem Material in zwei stationären Wälzlagern 471, 472 drehbar gelagert. Mit der Rotorscheibe sind fest verbunden,beispielsweise verklebt, ein ringförmiges erstes Magnetsystem 482, ein Zwischenring 484 aus magnetisch nicht leitendem Material und ein zweites ringförmiges Magnetsystem 486. Das erste Magnetsystem 482 umfasst die Permanentmagnete 474 und 476, die miteinander durch zwei magnetisch gut leitende Polköpfe 478 und 480 verbunden sind. Durch die Symmetrieebene dieser Polköpfe verläuft mithin die Polachse 488 des Magnetsystems, wenn das Magnetsystem so magnetisiert ist, wie dies in Figur 6 dargestellt ist. Das zweite Magnetsystem 486 ist identisch wie das erste aufgebaut, und man erkennt in Figur 5 die beiden entsprechenden Permanentmagnete 490 und 492. Das zweite Magnetsystem ist jedoch bezüglich seiner Magnetisierungsrichtung gegenüber dem ersten um 180° versetzt. Der Anker soll wiederum fest mit dem Kolben eines nicht dargestellten Freiflugkolbenmotors verbunden sein; er kann einen Hub "A" durchlaufen. Gezeichnet ist wieder die linke Endstellung des Ankers. Auf dem Anker ist ein Permanentmagnet 496 befestigt, der zweipolig radialmagnetisiert ist. Der Anker soll drehfest sein, und zur Aufnahme auf ihn wirkender radialer Kräfte ist er in einem zylinderförmigen Längslager 497 gelagert, während sich ein im Längslager befestigter Stift

498 durch ein sich durch den Anker erstreckendes Langloch hindurch erstreckt. Es versteht sich, daß diese Art der Verdrehsicherung nur schematisch zu verstehen ist, und in der Praxis auch andere Bauarten der Verdrehsicherung infrage kommen.

Hinsichtlich der AnIaufbedingungen und der Synchronisierung kann auf die Ausführungen zu Figuren 1 und 2 verwiesen werden. In der dargestellten linken Endstellung des Ankers 494 durchsetzt das Feld des Ankerpermanentmagneten 496 den Luftspalt zu dem Rotormagnetfeld, erzeugt von dem ersten Magnetsystem des Rotors, wobei auf den Rotor durch Einwirkung auf das erste Magnetsystem 482 ein Drehmoment in Richtung des Pfeiles 477 erzeugt wird.

Im Unterschied zu der Ausfuhrungsform nach Figur 1 und 2 wird in der rechten Endstellung des Ankers 494 nach Durchlaufen des Hubes "A" das Drehmoment durch Einwirkung auf ein zweites Magnetsystem des Rotors erzeugt und es ist anzumerken, daß keine Bauteile aus magnetisch leitendem Material zusätzlich zu den vorstehend erwähnten vorhanden sind, so daß Streu- und Ümmagnetisierungsverluste weitgehend vermieden werden können.

Die Darstellung ist nur schematisch zu verstehen. So können die Magnetsysteme des Rotors einstückig hergestellt werden und entsprechend magnetisiert werden. Ebenso sind mehrpolige Ausführungen möglich. Es ist auch möglich, den Rotor drehfest anzuordnen und den Anker zusätzlich zu seiner Schwingbewegung durch die Einwirkung des dann entgegengesetzt wirkenden Drehmoments auch als Rotor zu benutzen. Dies kann z.B. dann zweckmäßig sein, wenn der

erwähnte Freiflugkolbenmotdr unmittelbar als Pumpenantrieb für Fluide eingesetzt wird und der Einlaß und Auslaß des Fluids in die Pumpenkammern durch eine Drehschieberanordnung gesteuert werden soll. Im einfachsten Falle stellt dabei der durch den Anker in Drehung versetzte Kolben selbst den Drehschieber dar. Es versteht sich, daß dann die Verdrehsicherung des Ankers entfällt und das vorstehend als "Rotor" bezeichnete Bauteil stationär befestigt wird. Der Anker selbst, der Kolben des Freiflugkolbenmotors und die mit diesem verbundenen Bauteile weisen dann in aller Regel genügend Masse auf, um auch die Funktion der Schwungscheibe zu übernehmen.

In der Ausführungsform nach Figuren 7 und 8 ist die Welle 500 des Rotors, aus nichtmagnetisierbarem Material bestehend, mittels Wälzlagern 502 und 504 relativ zu den stationären Teilen gelagert. Die Rotorwelle trägt eine Schwungscheibe 506, sowie einen Permanentmagneten 508, dessen Aufbau in Figur 8 deutlich erkennbar ist; er ist radial vierpolig magnetisiert und fest mit der Rotorwelle verbunden.

Der schwingende Anker 510 aus nichtmagnetisierbarem Material, beispielsweise fest mit einer Kolbenstange eines Freiflugkolbenmotors verbunden, führt den Hub "A" aus und ist in der Mittelposition "A/2" dieses Hubes gezeichnet. Der Anker trägt einen fest mit ihm verbundenen zweipolig radialmagnetisierten Permanentmagneten 512. Die außerhalb angeordnete Querabstützung des Ankers ist nicht gezeichnet.

Magnetisch leitende Joche 520 bzw. 522 sind unten und oben angeordnet und schließen den Magnetkreis zwischen dem Rotormagneten 508 und dem Anker-

magneten 512. Die magnetisch nicht leitenden Rahmenteile 524 und 526,. beispielsweise aus Kunststoff, stützen die Joche ab. Wie aus Figur 8 entnehmbar, sind die Joche 522 und 520 um 90° zueinander versetzt bezüglich der Rotorachse angeordnet und jeweils mit Polschuhen 530 und 532* im Bereich der Ankermittellage sowie 534 und 536 im Bereich des rotormagneten 508 versehen.

Es sei angenommen, daß der Anker mit einer * bestimmten Frequenz um seine Mittellage schwingt und der zunächst ohne Bremsmoment umlaufende Rotor in irgendeiner Weise auf Synchrondrehzahl gebracht worden ist. Diesbezüglich ist wiederum auf Figuren 1 und 2 und deren Beschreibung zu verweisen. Der Anker schwingt zwischen den beiden Endlagen 516 bzw. 518 seines Permanentmagneten 512 und es sei angenommen, daß er sich aus der in Figur 7 dargestellten 'Mittellage in Richtung des Pfeiles 514 nach rechts bewegt. An diesem Punkt des Hubes hat der Anker natürlich maximale Geschwindigkeit. Der Fluß des Ankerpermanentmagneten wird beim -Eintauchen zwischen die Polschuhe 530 und 532 über die Joche 520 und 522 auf den Rotorpermanentmagneten 508 zur Einwirkung gebracht und es entsteht an diesem ein in Richtung des Pfeiles 528 wirkendes Drehmoment, das etwas weniger als 90° der Rotordrehung hindurch wirksam ist. Die gezeichnete Position des Rotorpermanentmagneten entspricht dabei der gezeichneten Mittelstellung des Ankerpermanentmagneten. Beim Austauchen des Ankerpermanentmagneten aus den Polschuhen vermindert sich das vom Ankerpermanentmagneten eingespeiste Feld, und wenn der Anker nach Durchlauf einer Halbperiode seiner Schwingung aus seiner Endstellung 518 zurückkehrend erneut in den Bereich zwischen den Polschuhen 530 und 532 eintaucht,

hat sich der Rotorpermanentmagnet dank der Schwungscheibe 506 um 180° weitergedreht/ so daß sein Südpol S2 sich nun zwischen den Polschuhen 534 und 536 befindet. Auf diese Weise erhält der Rotor während einer Schwingungsperiode des Ankers zweimalig ein Antriebsdrehmoment, und zwar immer dann, wenn der Anker die Mittelstellung seines Hubes durchläuft.

Abweichend von der gezeichneten Ausführungsform kann der Rotorpermanentmagnet 508 auch nur zwei- polig mit «£ = 180°, oder auch sechspolig, achtpolig usw. ausgebildet werden. Auch die Anzahl der Joche kann vergrößert werden, so daß maximal ebensoviel Joche wie ausgebildete Pole am Rotorpermanentmagneten vorhanden sind. Es ist erkennbar, daß sich mit Änderung der Polpaarzahl am Rotorpermanentmagnet auch das Verhältnis von Rotordrehfreguenz zu Ankerschwingfrequenz -ändert.

Die Ausführungsform nach Figuren 7 und 8 ist hinsichtlich ihrer Wirkungsweise in gewisser Weise ähnlich der Ausführungsform nach Figuren 1 und 2; in analoger Weise könnte man die Ausführungsform nach Figuren 7 und 8 so modifizieren, daß sie ähnlich wie die Ausführungsformen nach Figuren 3 und 4 bzw. 5 und 6 arbeitet.

Kombiniert man die Ausführungsform nach Figuren 7 und 8 mit einer Ausführungsform nach Figuren 1 und 2 ( beispielsweise .) derart, daß die beiden Rotoren drehfest miteinander verbunden sind oder einen • gemeinsamen Rotor bilden, ergibt sich die vorteilhafte Wirkung, daß bei jedem Drehwinkel· des Rotors ein Antriebsmoment auf ihn einwirken kann, so daß der Rotor dann selbstanlaufend ist. Die Polpaarzahl des Systems nach Figuren 7 und 8 ist dann immer doppelt so hoch, wie die Polpaarzahl des 'mit. ihm kombinierten Systems

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nach Figuren 1 und 2 bzw. 3 und 4 bzw. 5 und 6.

Auch bei einem solchen Aufbau der Vorrichtung ist eine kinematische Umkehr möglich, bei der der hin und her schwingende Anker gleichzeitig auch die Funktion des Abtriebsrotors übernimmt, wenn man eine Anordnung ähnlich Figuren 5 und 6 wählt und dabei die Magnetsysteme 482 und 486 stationär abstützt, während die Verdrehsicherung 498 entfernt wird.

Eine Ausführungsform gemäß dem zuletzt beschriebenen Prinzip ist in den Figuren 9 und 10 dargestellt.

In Figur 9 ist mit 550 ein Freiflugkolbenmotor angedeutet, der selbst keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, und beispielsweise schematisch in den VDI-Nachrichten vom 18.3.1983 in einer Anzeige dargestellt ist. Die Kolbenstange 552 erstreckt sich axial durch den Motor und ist fest mit dem Freiflugkolbenmotor verbunden. Am linken Ende trägt die Kolbenstange zusätzlich zu ihrem Kolben einen Permanentmagneten 586. Am rechten Ende ist mit der Kolbenstange ein Kolben 562 verbunden sowie ein Permanentmagnet 596. Alle mit der Kolbenstange verbundenen Bauteile sind zusammen mit dieser und mit dem Freiflugkolben um die Mittelachse der Kolbenstange drehbar.

Zylinderköp^fe 554 und 556 sind fest mit dem Motorblock 550 verbunden. Der linke Magnetsystemhalter 578 besteht aus nicht-magnetisierbarem Material und trägt neben den beiden nichtmagnetisierbaren Distanzringen 584 und 588 zwei ringförmige Magnet-

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systeme 582 und 580 entsprechend dem ersten bzw. zweiten Magnetsystem in Figuren 5 und 6. Auch der Permanentmagnet 586 entspricht dem Ankermagnet des Systems gemäß Figuren 5 und 6 und die Bauteile erfüllen die entsprechenden Funktionen.

Der rechte Magnetsystemhalter* 590 aus nichtmagnetisierbarem Material trägt einen nichtmagnetisierbaren Distanzring 592 und ein ringförmiges Magnetsystem 594. Diesist ähnlich aufgebaut wie das erste oder zweite Magnetsystem nach Figuren 5 und 6, jedoch im Vergleich zu dem Magnetsystem 580 bzw. 582 mit der doppelten Polpaarzahl ausgeführt. Ebenso ist der Permanentmagnet 596 dem Permanentmagnete 586 ähnlich, jedoch ebenfalls mit der doppelten Polpaarzahl versehen.

Die Zylinderköpfe 554 bzw. 556 begrenzen mit den in ihnen schwingenden Kolben 558 bzw. Pumpenkammern für die Förderung von Fluiden, wobei das zu fördernde Medium über Einlasse und Auslässe 568 bzw. 566 und 572 bzw. 570 eingespeist bzw. abgegeben wird. Die Umsteuerung erfolgt über Steuerschlitze 560 bzw. 564, wobei auch auf die Darstellung der Abwicklung gemäß Figur 10 verwiesen wird.

In dieser Figur ist der Kolben 558 mit der in ihm vorgesehenen Steuernut 560 gesehen in Richtung des Pfeiles Q erkennbar. Ihm überlagert ist eine Abwicklung der Steuerzylinderfläche 574 gezeichnet, in der die schlitzförmigen Ein- und Auslässe 568 bzw. 566 ausgebildet sind. Die Steuerfläche 574 ist die Dichtfläche des Zylinders. Bei dieser Pumpe wird von der synchronen Zuordnung von Drehwinkel und Oszillationshub Gebrauch gemacht, um nach Art eines

Drehschiebers die Fluidziifuhr und Abfuhr zu steuern. Dabei läuft der Anker um.

Die Pumpe arbeitet wie folgt:

Mit den Magnetsystemen 582 und 580 wird durch Zusammenwirken mit dem Permanentmagneten 586 in den Endlagen des Ankerhubes ein auf die Kolbenstange 552 und alle mit ihr verbundenen Bauteile wirkendes Drehmoment erzeugt ,ähnlich wie oben unter Bezugnahme auf Figuren 5 und 6 beschrieben. Mit dem Magnetsystem 594 wird im Zusammenwirken mit dem Permanentmagneten 596 während des Durchgangs des Ankers durch seine Mittenlage ein Drehmoment erzeugt, ähnlich wie dies oben unter Bezugnahme auf Figuren 7 und 8 beschrieben wurde. Bei entsprechender Anordnung in ümfangsrichtung dieser beiden Magnetsysteme ist das System selbstanlaufend. Dabei erfolgt die Steuerung der Drehschieber wie folgt:

Während sich der Kolben 558 nach links bewegt und dabei gleichzeitig eine Rotation in Richtung des Pfeiles 598 ausführt, wird das zu fördernde Fluid über die Steuernut 560 und die schlitzförmige Auslaßöffnung 566 ausgeschoben. Bei Beendigung des Hubes hat sich der Kolben soweit gedreht, daß die Auslaßöffnung 566 verschlossen wird und nach einem kleinen Drehwinkel des Kolbens die Einlaßöffnung 568 über die Steuernut 560 mit dem Innenraum des Zylinders, also der Pumpenkammer, verbunden wird, so daß bei der anschließenden Bewegung des Kolbens nach rechts das zu fördernde Fluid angesogen wird. Dieser Vorgang endet bei Erreichen der rechten Endlage, weil in dieser Drehwinkelstellung die Steuernut die Verbindung mit der Einlaßöffnung 568 wieder unterbricht und dafür nach kurzem Drehwinkel wieder Verbindung mit der Auslaßöffnung 566 erreicht. Ein analoger Vorgang läuft

auf der rechten Seite der Vorrichtung unter Steuerung durch die Nut 564 ab.

Je nach der Anzahl der Polpaare kann der Kolben während eines Kolbenhubes eine Drehbewegung von 360° oder eine Drehbewegung von 180°, 120° usw. ausführen. Die Hauptleistung des Motors kann dabei in der Fluidförderung bestehen, oder auch im Antrieb eines anderen Aggregates, während die Pumpleistung dazu dient, verbrennbares Gasgemisch zu fördern und damit den Freiflugkolbenmotor als aufgeladene Maschine zu betreiben. Anzumerken ist in jedem Fall, daß die über die Magnetsysteme umzuwandelnde Leistung nur die Steuerleistung ist, die verhältnismäßig gering ist, so daß man kleine und leichte Magnetsysteme benötigt.

Bei den Ausführungsformen nach Figuren 1 bis 8 war vorausgesetzt worden, daß zur überbrückung des Rotordrehwinkels,bei dem kein Antriebsmoment vorliegt, die kinetische Energie eines Schwungrades benutzt wird. Außerdem wurde eine erstmalige Synchronisierung des Rotors bezüglich des schwingenden Ankers durch irgendein Hilfsmittel.vorausgesetzt. Diese Anfangssynchronisierung kann beispielsweise dadurch herbeigeführt werden, daß das Wirkprinzip des magnetischen Bewegungswandlers umgekehrt wird, indem der Rotor als Starter für den Freiflugkolbenmotor eingesetzt wird. Der Abtriebsrotor wird beispielsweise durch Einwirken auf die Schwungmasse 470 gemäß Figur 5 durch Ankuppeln eines elektrischen oder pneumatisehen Startermotors in Drehung versetzt. Dadurch wird dem Anker eine Schwingbewegung aufgezwungen, die synchron zu der Drehbewegung des Rotors verläuft. Dieser Synchronismus bleibt dann nach dem Start des Freiflugkolbenmotors erhalten. Der Kolben des Freiflug-

kolbenmotors stellt zusammen mit seinen Gaspolstern ein schwingfähiges System dar, das eine bestimmte Resonanzfrequenz aufweist,und vorzugsweise wird deshalb die Anregung der Schwingungen bei oder nahe dieser Resonanzfrequenz vorgenommen, damit sich der Anker unter nur geringem Leistungsverbrauch aufschaukeln kann.

Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen sämtlich selbstanlaufende Systeme dar.

In Fig. 11-14 ist der Anker 10 einfach als ein Rohrende dargestellt, das zum Beispiel die Verlängerung einer Kolbenstange eines Freiflugkolbenmotors sein kann. Auf dem Anker 10 sitzt ein axial magnetisierter Permanentmagnet 12, gehalten durch einen

Einsatz 13. Es sei angenommen, daß der Anker

neben seiner hin und her gehenden Bewegung auch noch frei drehbar ist; wo diese Voraussetzungen nicht gegeben sind, wäre der Hagnet 12 auf dem Anker drehbar, jedoch axialfest anzuordnen.

^2C Der Anker 10 ist in Fig.11 in einer seiner Endstellungen gezeichnet, nämlich der linken Endstellung. Seine Schwingbewegungen erfolgen um eine Mittellage, die für die Südpol-Endkante 64 des Per manentmagneten 12 mindestens annähernd in der Radialebene 14 liegt, und der Hub zwischen beiden

Endlagen 64-64a hat die'Größe ^.",..Ranh-^edöcK 317 auch kleiner sein, wobei allerdings die Vorrichtung eine gewisse Mindestschwingamplitude benötigt, um einen drehenden Abtrieb zu ermöglichen.

In jeder der beiden Endlagen durchsetzt der von dem Magneten 12 erzeugte Fluß einen aus magnetisierbarer!! Material aufgebauten Magnetkreis. In beiden Fällen umfaßt dieser Kreis den Jochring 16a mit Polzähnen 18a_# Polzähne 36 auf dem als Abtriebsorgan dienenden Rotor 32, der als muffenförmiger Körper ausgebildet ist, und den letzteren selbst. Auch der Jochring 16b am anderen Ende des Permanentmagneten 12 mit seinen Polzähnen 18b wird ständig von dem Fluß durchsetzt.

In der einen Endlage — der zeichnerisch dargestellten — schließt sich der Magnetkreis über einen stationären Polkranz 26a mit inneren Polzähnen 28a und äußeren Polzähnen 30a sowie die Polzähne 34a am Abtriebsorgan. In der anderen Endlage* schließt sich der Magnetkreis analog über die Polzähne 28b des stationären Polkranzes 26b, dessen äußere Polzähne 30b und die Polzähne 34b am Abtriebsorgan. Form, Anordnung und Funktion der verschiedenen Polzähne werden später erläutert.

Das Abtriebsorgan ist mittels Wälzlagern 38a, 38b in einem stationären Außengehäuse 40 gelagert, das z.B. an den Motor 20 angeflanscht sein kann. Ein Bremsring 50, der sich über Federn 52 abstützt, kann durch Verschieben in Richtung des Pfeiles 56 am Hebel 54 unwirksam gemacht werden, wenn das Abtriebsorgan umlaufen soll.

Eine Schraubenfeder 70 ist bei 72 an dem Abtriebsorgan 32 und bei 74 an einem Flansch 76 der Abtriebswelle 82 verankert. Sie dient als Drehstoßdämpfer und Energiespeicher bei der übertragung von Drehbewegungen des Organs 32 auf die

Welle 82. Wenn die ^btrifebsSwelte.«it: erheV^j/chaii Trägheitsmomenten belastet ist, wird zunächst einmal bei beginnender Drehung potentielle Energie in der Feder gespeichert und dann zur Beschleunigung dieser Trägheitsmomente mitverwertet.

Die Abtriebswelle 82 ist mittels Kugellagern 78a, 78b in einem Lagerflansch 80 gelagert, der an das Gehäuse 40 angeflanscht ist.

Die Polkränze 26a bzw. 26b sitzen jeweils auf einem Tragring 24 bzw. 22, und der letztere ist am Gehäuse 40 oder am Motor 20 befestigt. « Auf dem freien Stirnende des Tragrings 24 ist eine Spule 86 befestigt, die als Anlaßorgan für den Motor dienen kann, da sie — bei Beaufschlagung" mit Wechselstrom — den Permanentmagneten 12 und damit den Anker 10 zu Schwingungen anregen kann. Umgekehrt wird in der Spule auch ein Wechselfeld induziert« wenn der Motor läuft, so daß von ihr z.B. Steuerimpulse für die Zündung des Verbrennungsmotors abgenommen werden können, oder auch die Versorgungsspannung für das Bordnetz eines von dem Motor angetriebenen Fahrzeugs.

Bevor nachstehend Aufbau und Wirkungsweise der Magnetkreiskommutierung erläutert werden, sei noch erwähnt, daß der Permanentmagnet nicht unbedingt mit dem Anker mitschwingen muß; er kann auch in das Abtriebsorgan oder gar unter Inkaufnahme von zwei weiteren Luftspalten in das stationäre Außengehäuse integriert sein.

In der Tat ist durch die magnetische Kopplung zwischen den Polzähnen 18a am Anker bzw. am Permanentmagneten einerseits und den Polzähnen 36 am Abtriebsorgan 32 dafür gesorgt, daß beide Bauteile synchron umlaufen, und zwar unbeeinflußt von der Schwingbewegung des Magneten, da die Zähne 36 um mindestens die Länge ^Nh^N länger bemessen sind

als die Zähne 18a. Die&-ist in-tier-'zeichntrng angedeutet, da sich der Magnetfluß 88 jedenfalls über diese Polzahnpaarungen schließt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 12 und13 soll nun der Aufbau des Kommutierungssystems erläutert

werden.

j In Fig.12 ist mit "t" die Teilung für

die Polzähne 34a markiert. Zähne und Lücken wechseln mit gleicher Winkelausdehnung ab, so

daß jeder Zahn die Winkelerεtreckung t/2 aufweist. Im gezeichneten Beispiel beträgt t=60°_# doch versteht es sich, daß andere Abmessungen ebenso möglich sind. Die Zähne 34b stehen, wie Fig.13 erkennen läßt« ausgefluchtet mit den Zähnen

34a; Fig.12 und 13 stellen dieselbe Winkelposition aller Teile dar, doch ist in Fig.13 der Magnet mit seinen Polzähnen 18b nur gestrichelt angedeutet, um zu verdeutlichen, daß sie sich in der anderen Ebene — nämlich der der Fig.12 — befinden.

Dieselbe Winkelerstreckung t/2 (=30°) weisen auch die Polkranzzähne 28a und 30a auf. Man erkennt in Fig.12 und13, daß eigentlich die Polkränze 26a, 26b mit ihren Zähnen 28a, 28b und 30a, 30b einfach Segmente sind, die nur in Umfangεrichtung magnetisch

voneinander isoliert sind. Sie können beispielsweise in ein nicht magnetisierbares Material eingebettet sein. Allerdings sind die Lücken zwischen den Segmenten möglichst klein, so daß die Winkelbreite der Segmente annähernd mit der Teilung dieser PoI-

. zähne übereinstimmt.

Dieselbe Teilung t (=60°) gilt auch für die Zähne 18b, doch besitzen sie nur eine Winkelerstreckung von t/4 (=15 ), während die Lücken zwischen ihnen dreifache Winkelbreite haben.

Schließlich ist: aus einem Vergleich der Fig.12 und13 noch zu ersehen, daß die Segmente 26a/28a/3Oa gegenüber den Segmenten 26b/28b/3Ob um ebenfalls t/4 (=15 ) in Umfangsrichtung versetzt sind.

Die Umsetzung der hin und her gehenden Bewegung des Ankers in die Umlaufbewegung des Abtriebsorgans verläuft nun wie folgt:

Es sei angenommen, daß beim Eintauchen des Ankers mit den Organen 12-16b-i8b dieser relativ zu den feststehenden Segmenten und zu den Zähnen 34a des zunächst als stillstehend angenommenen Abtriebsorgans eine Position hatte, wie sie mit gestrichelten Linien angedeutet ist und mit dem Wort "START" markiert ist. Da das Abtriebsorgan mit dem Anker zusammen umlaufen muß, wegen der oben beschriebenen Kupplung über die Polzähne 18a-36, hat dann auch das Abtriebsorgan die gestrichelt angedeutete Position, markiert mit "(34a)". Der von den Zähnen 18b ausgehende FIuS durchsetzt dann das jeweils radial nächstliegende Element und hat die Tendenz, den Luftspalt zu dem nur auf seiner halben Breite gegenüberliegenden Zahn 34a zu verkleinern. Daraus resultiert eine in Tangentialrichtung wirkende Anziehungskraft, die zu einer Drehung des Abtriebsorgans um t/4 führt. Der Anker macht diese Drehung mit (wegen der magnetischen Kupplung mit dem Abtriebsorgan über 18a-36); da aber die Zähne 18b nur die halbe Hinkelbreite gegenüber den Segmenten aufweisen, ändert sich der betreffende Luftspalt durch die Folgedrehung des Ankers nicht. Die Bauteile nehmen daher die in Fig.1 2 mit ausgezogenen Linien dargestellten Positionen ein; das Abtriebsorgan hat eine Drehung um t/4 ausgeführt.

Schwingt nun der Anke? in-Tsedne. andere

Endlage, trifft er wegen der t'/"4-Versetzung der

Segmente 26b/28b/3Ob auf exakt dieselben re-

lativen Lageverhältnisse wie beim Eintauchen in den anderen Magnetkreis, und es erfolgt eine weitere Vierteldrehung von Abtriebsorgan und Anker. Dieser Ablauf setzt sich dann beim Zurückschwingen wieder fort, und das Abtriebsorgan wird zu einer nicht ganz gleichförmigen fortlaufenden Drehung angetrieben. Hit höheren Schwingfrequenzen verschleifen sich aber die übergänge, und einen Restausgleich besorgt die Feder 70.

Fig.14 läßt den beschriebenen Ablauf j — die "mäanderförmige¹· Bewegung eines Zahns 18b

j 15 relativ zu den Zähnen bzw. Segmentflanken 28a,

j 28b ~ deutlich erkennen.

j Anstelle der magnetischen Kupplung 18a-36

j kann man auch auf andere Weise dafür sorgen, daß

der Anker zusammen mit dem Abtriebsorgan die Viertelteilung dreht, etwa indem man die den Ankerzähnen 18b zugewandten Flanken der Zähne 2Sa und 28b derart ausbildet, daß der Luftspalt zwischen beiden in Richtung der Drehung schmaler wird. Im Bereich der Kupplung i8a-36 würden dann einfache Ringe anstelle der*mit Zähnen besetzten Ringe vorzusehen sein.

Die Figuren!5 und16 beziehen sich auf eine Ausführungsform, bei der zwei schwingende Anker auf einen gemeinsamen Rotor einwirken. Hier ist ein einziger Permanentmagnet als Quelle für ein magnetisches Gleichfeld vorgesehen, und der von ihm ausgehende Magnetfluß wird in die am Rotorumfang wirkenden Wechselfelder durch die Schwingbewegung der Anker kommutiert, wobei die Phasenlage der ^; synchron schwingenden Anker derart gewählt ist,

daß die genannten Wechselfelder gemeinsam als Drehfeld wirken.

~ v/ ORIGINAL INSPECTED

3JT

\J \J I /

Die'beiden Ankefc "PIO uW-H** ---bei denen es sich z.B. um die Kolbenstangen je eines Kolbens eines Zweizylinder-Freiflugkolbenmotors handeln kann — schwingen mit gleicher Frequenz, jedoch um 90° phasenverschoben. Die aus nichtmagnetisierbarem Material bestehenden Anker 110, 114 tragen je einen aus magnetisierbarer!! Material bestehenden Polring 112 bzw. 116.— Der Rotor umfaßt einen hohlzylindrischen Mantel 118 aus magnetisierbarer! Werkstoff, einen mittig im Mantel 118 in dessen Radialebene angeordneten ringförmigen, radial magnetisieren Permanentmagneten 120 und eine ebenfalls aus magnetisierbarem Material bestehende zentrale Jochstange 122. Die Lagerung des Rotors mittels Rollenlagern ist nur bei 124 angedeutet; die übertragung der Drehbewegung des Rotors auf irgendwelche außerhalb liegende Verbraucher erfolgt mittels Zahnkranz 126 und Zahnriemen 128. An dem stationären Gehäuse 130 sind über nichtmagnetisierbare Stützringe 132, 134, 136 und 138 Leitringe 140, 142, 144 und 146 aus weichmagnetischera Material angebracht, die auf ihrem Außenumfang Polzähne tragen. Den Polzähnen der Leitringe ist jeweils ein Polzahnring auf dem Rotor radial ausgefluchtet zugeordnet. Der Axialabstand der Leitringe 140-142 einerseits und 144-146 andererseits ist gleich dem Schwingungshub der Anker 110 bzw. 114.

Die Polzähne erstrecken sich jeweils über vorgegebene Winkel, die für alle Polzahnkränze gleich sind; wie in Fig.i6 dargestellt, ist hier eine Teilung von 60° vorgesehen, so daß jeder Polzahn in ümfangsrichtung eine Erstreckung von 30° aufweist.

Die Polzähne des Rotors sind sämtlich in . Axialrichtung zueinander ausgefluchtet. Dagegen

ORIGINAL INSPECTED

JJ I /ö

sind die Pol'zähne der Leit^:ringe-"i4c'biV 146 in Umfangsrichtung um jeweils eine halbe Zahnbreite (im Beispiel also um 15 ) zueinander versetzt, und zwar gleichsinnig in der Reihenfolge, wie nach der Phasenansteuerung der Anker die Magnetkreise von deren Polringen 112 bzw. 116 geschlossen, d.h. "eingeschaltet" werden. In Fig.16 sind die Radialteilschnittei6a,16b, I6c,i6d in derselben Reihenfolge dargestellt:

Fig.i6a bezieht sich auf die Ebene 104 der Fig.1 5, in der der Magnetkreis von dem Polring 116 über den Leitring 144 geschlossen wird; der Rotor hat dabei durch die Tangentialkraft, hervorgerufen durch die Tendenz der magnetischen Feldlinien, sich zu verkürzen, eine Drehung um eine halbe Zahnbreite in die in Fig.16a dargestellte Position vollzogen, wobei die Drehrichtung durch den Pfeil 150 angedeutet ist. Der Magnetfluß folgt demgemäß dem jetzt kürzesten Pfad 152. Wenn der Anker 114 aus dieser (End-)lage in Richtung "A" schwingt und gleichzeitig der Anker 110 ebenfalls in Richtung A schwingt, taucht der Polring 112 des letzteren zwischen die Jochstange 122 und den Leitring 142 und schließt somit den Magnetkreis über diesen, während der Polring 116 aus dem Bereich des Leitrings 144 herausschwingt. Da aber die Polzähne des Leitrings 142 gegenüber denen des Leitrings 144 um 15 in Umfangsrichtung versetzt sind — vgl. Fig.16b —, und zwar in Richtung der Drehung des Rotors, wirkt auf diesen eine Kraft in umfangsrichtung bzw. ein Drehmoment, da sich jetzt die Magnetflußlinien wiederum verkürzen wollen. Diese Situation ist in Fig.1 6b erkennbar, die den Radialschnitt in Höhe der Linie 103 der Fig.1 5 wiedergibt. In dieser Figur 1st auch der Teilungswinkel "t" eingetragen, wobei unter Teilung

ORIGINAL INSPECTED

der Winkel verstanden wird, über den sich ein Polzahn plus die ihm folgende Zahnlücke erstreckt. Der weitere Ablauf ergibt sich ohne weiteres : Fig.¹ 6c zeigt die Anordnung in Ebene 106 der Fig.! 5,und Fig.'öd schließlich die Lage in Ebene 101 der Fig.¹5. Die Radialebenen 102 bzw. 105 markieren die Nullposition der Anker. Es versteht sich, daß anstelle der Teilung t=60°, wie hier dargestellt, andere — insbesondere kleinere — Teilungen vorgesehen werden können; die Drehzahl des Rotors pro Schwingungsperiode der Anker laut sich damit in weitem Maße wählen. Es versteht sich ferner, daß die Drehung des Rotors zwar theoretisch in einzelnen Winkelschritten erfolgt, sich diese Schritte aber durch die Massenträgheit der beteiligten Komponenten zu einer kontinuierlichen Drehung verschleifen werden.

Die Ausführungsform nach Fig.17 unterscheidet sich von der nach Fig. 15 undi6 dadurch, daß hier anstelle eines Rotors mit weichmagnetischen aktiven T-ellen ein solcher vorgesehen ist, der selbst durch Vt rwendung von Permanentmagneten mindestens ein Magr.eipolpaar ausbildet. In der Terminologie der 6c.f-.ritt schal tmo tor en werden die erstgenannten als Reaktive", die letzteren als "aktive" Rotoren bezeichnet. Ein weiterer Unterschied liegt darin, daS die beiden A'-.Krr 210, je eineri ersten Stabmagnet 211 bzw. Zi' sowie meinen zweiten Stabmagneten 2M bsv 7--2' tragen, der jeweils antiparallel zum ersteren angeordnet ist, so daß In jeder Endlage des Ankers das durch die Joche 215, 216 bzw. 215', 216* gebündelt·= Jiagnetfeld UFwep'.vJ t wird. Die beiden Ar-.Xer .schwingen, wie in der AusführMn^sform r-Ach Fiq.'jr uncib, mir

ORIGINAL INSPECTED

90° PhasenverschiejS^rcg, wQmifc.. ε ich. etln" Ablauf gemäß folgender Tabelle ergibt, in der "A" und "B" die jeweiligen Endstellungen der Anker in den so bezeichneten Richtungen nach Fig.17 wiedergeben und "M" die dazwischenliegende Position maximaler Ankergeschwindigkeit (die Anker folgen einem im wesentlichen sinusförmigen Weg-Zeit-Verhalten) .

Anker 210	Anker 214	Zurückgelegter
in Position	in Position	Drehwinkel des
		Rotors 218 (°)
M	A	0
B	A	45
B	M	90
B	B	135
H	B	180
A	B	225
A	M	270
A	A	315
M	A	360=0

Versieht man den Rotor 218 mit mehr als einem Polpaar, so ist natürlich das Magnetleitersystem entsprechend anzupassen. Die Verwendung eines "aktiven" Rotors hat den Vorteil, daß keine Polzähne vorzusehen sind, wenn solche auch aus anderen Gründen gleichwohl verwendet werden können.

Bei der alternativen Ausführungsform nach Fig.18 sind die beiden, jeweils einem Anker 310 zugeordneten Permanent-Stabmagnete 311, 312 stationär; beim Schwingen des Ankers werden die von ihnen erzeugten Magnetflüsse alternierend in den Endstellungen des Ankers über Leitstücke 316,318 an den Enden einer magnetisch nichtleitenden, am Anker

ORIGINAL INSPECTED

befestigten Gabel 320 auf *die.-stat'i©h&ren Jochstücke 322, 324 geschaltet. Die Wirkungswelse entspricht im übrigen der der Ausführungsform nach Fig.1 7.

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Claims (18)

1. DIPL.-ING. H. MARSCH,«.!«.: ·' · I I

   f DIPL.-ING. K. SPARING ·^:· ^: "··"-·■ _KEThtLsfHAss_E 123

   TVTPT -PTTVS TiT? W TT pftWT Postfach 140268

   IJXl?Lu·fti IC Ä. XI«. W. ti. KUMi. telefon (02 11) 671034

   PATENTANWÄLTE TELEX 858 2342 SPRO D

   ICOIL. TZBTBZTZB BZIM ZDROrXlSCBEIC PATENTAMT

   Dipl.-Ing. Hubert Bald
   Schützenstr. 1

   5920 Bad Berleburg 927 Pr

   Ansprüche

   Verfahren zum Umsetzen der Schwingbewegung oszillierender Anker in gleichsinnige Drehbewegungen von Rotoren durch Erzeugen von auf Rotoren einwirkenden magnetischen Wechselfeldern/ die in derartiger räumlich zeitlicher Folge umgeschaltet werden, daß Synchronismus mit der Rotordrehung vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß für die Flüsse von magnetischen Gleichfeldern magnetische Leitungswege unter Einschluß von Teilen der Rotoren unmittelbar durch die Ankerbewegungen ein- und ausgeschaltet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine periodische Bewegung eines Ankers mindestens zweimal eine Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses durchgeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweimalige Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses im wesentlichen in den Umkehrlagen der Ankerschwingung vorgenommen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweimalige Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses im wesentlichen in der mittleren Lage der Ankerschwingung vorgenommen wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine periodische Bewegung eines Ankers mindestens viermal eine Ein- und Ausschaltung von Magnetflüssen vorgenommen wird und daß zwei Ein- und Ausschaltungen im wesentlichen in den Umkehrlagen und zwei weitere Ein- und Ausschaltungen im wesentlichen in der mittleren Lage der Ankerschwingung vorgenommen werden.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den in die magnetischen Leitungswege eingeschlossenen Rotorteilen Permanentmagnete zur Bildung wenigstens eines radial orientierten Polpaares angeordnet sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die in den Umkehrlagen der Ankerschwingung geschalteten magnetischen Leitungswege ein erstes Rotorteil und für die in den mittleren Lagen der Ankerschwingung geschalteten magnetischen Leitungswege ein zweites Rotorteil vorgesehen sind, wobei der zweite Rotorteil die doppelte Polpaarzahl des erstes Rotorteiles aufweist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung der magnetischen Gleichflüsse Permanentmagnete vorgesehen sind.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Anker ein als Permanentmagnet ausgebildeter Teil zur Schaltung der Leitungswege verbunden ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Anker verbundene Teil zur Schaltung der Leitungswege aus magnetisch gut leitendem Material besteht.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, da-ß der oszillierende Anker zugleich als Rotor ausgebildet ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der oszillierende Rotor gleichzeitig Teil einer Drehschiebersteuerung zum öffnen und Schließen von Einlaßbzw. Auslaßöffnungen von zu fördernden Fluiden ist.
13. 13. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Anker mit dem Freiflugkolben eines Explosionsmotors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine beim Start des Explosionsmotors notwendige Synchronisierung von Oszillationsbewegung des Ankers und Rotationsbewegung des Rotors dadurch vorgenommen wird, daß unter Umkehr der Wirkrichtung, die im Normalbetrieb vorliegt, der Rotor zum Start des Motors mittels eines Hilfsmotors in Umdrehung versetzt wird..
14. 14. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem durch jede periodische Ankerbewegung eine zweimalige Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit 90 Grad Phasenverschiebung synchron schwingende Anker ein auf einen gemeinsamen Rotor wirkendes Drehfeld erzeugen.
15. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 14 zur Umsetzung der oszillierenden Bewegung von zwei Freiflugkolben von Explosionsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Freiflugkolben durch Phasenverschiebung der aus einer gemeinsamen Zündanlage abgeleiteten Zündimpulse synchronisiert und phasenverschoben sind.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Ein- und Ausschaltung eines über eine Hilfsspule erzeugten magnetischen Flusses derart bewirkt ist, daß das damit erzeugte Wechselfeld zusammen mit den unmittelbar durch die Ankerbewegung erzeugten Hechseifeldern zu einem Drehfeld geschaltet ist.
17. 17. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem durch jede periodische Ankerbewegung eine zweimalige Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses bewirkt wird« dadurch gekennzeichnet, daß ein an dem Ein- und Ausschalten der Magnetflüsse beteiligtes, mit dem Anker mitschwingendes Bauteil zusätzlich drehbar angeordnet wird und dadurch ein vierphasiges Drehfeld geschaltet ist.
18. 18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch17, gekennzeichnet durch einen mit dem Anker schwingenden, in Schwingungsrichtung magnetisierten Permanentmagneten, der mindestens einen Polring mit Polzähnen einer Breite χ und Lücken zwischen diesen einer Breite 3x aufweist, wobei zumindest der Magnet um die Achse seiner Magnetisierung drehbar ist, durch zwei, von dem Polring bei der Schwingbewegung alternierend passierte stationär angeordnete Polkränze mit im . wesentlichen lückenfrei angeordneten Segmenten

    -5-

    der Breite 2x, die in Umfangsrichtung zueinander um χ versetzt sind, und durch ein koaxial zu den Polkränzen angeordnetes, mit einer Abtriebswelle kuppelbares Abtriebsorgan mit über Luftspalte mit je einem der Polkränze magnetisch gekoppelten Innenpolzähnen von Polringen, wobei die Innenpolzähne eine Breite von 2 χ zwischen Lücken der Breite 2x aufweisen und die Innenpolzähne beider Polringe axial ausgefluchtet stehen, wobei das Abtriebsorgan und der Nagnet miteinander drehsynchronisiert sind.

    19_e Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsorgan und der Magnet durch dne Magnetkupplung drehgekoppelt sind.

    20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplung einen Teil des von dem Fluß des Permanentmagneten durchsetzten Magnetkreises ist.

    21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit 90° Phasenverschiebung schwingenden Ankern ein gemeinsames Gleichfeld zugeordnet ist, das durch einen einzigen Permanentmagneten erzeugt ist.

    22. Vorrichtung nach Anspruch ²¹, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet einen Teil des Rotors bildet, der beiden Ankern gemeinsam zugeordnet ist.

    23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor selbst mindestens ein von einem mitumlaufenden Permanentmagneten erzeugtes Polpaar aufweist, das mit dem erzeugten Drehfeld in Wechselwirkung steht.

    24. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsorgän über ein elastisches Organ mit der Abtriebswelle verbunden ist.

    25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche

    18 bis 20 oder 24, gekennzeichnet durch eine vom Magnetfeld des Permanentmagneten durchsetzte Hilfsspule.