WO2013034535A2 - Magnetvorrichtung mit polygonaler bewegung des translators - Google Patents

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WO2013034535A2
WO2013034535A2 PCT/EP2012/067185 EP2012067185W WO2013034535A2 WO 2013034535 A2 WO2013034535 A2 WO 2013034535A2 EP 2012067185 W EP2012067185 W EP 2012067185W WO 2013034535 A2 WO2013034535 A2 WO 2013034535A2
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stator
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magnetic
magnetic device
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Jérémy HEIN
Martin MARSCHNER VON HELMREICH
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Hein Jeremy
Marschner Von Helmreich Martin
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K2201/03—Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/09—Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators

Definitions

  • the following invention relates to a magnetic device comprising at least one stator and at least one translator, which translator is movably mounted relative to the stator during operation of the magnetic device according to the invention in a continuously variable translator movement direction.
  • the operation of electric motors according to the prior art in particular the operation of rotary motors is characterized in that the field strength of the translator and the stator is controlled in dependence on the externally acting on the electric drive force or the force to be generated.
  • the distance of the translator to the stator is not changed during operation of an electric motor according to the prior art.
  • One of the objects of the invention is to provide a magnetic drive with particularly good efficiency. Furthermore, it is an object of the invention to provide a magnetic drive with particularly positive properties such as high smoothness, as uniform as possible movement of the translator.
  • a smooth running or as uniform as possible movement of the translator can be accomplished in the prior art by the use of high compared to the total weight of the magnetic device according to the invention high balancing weights.
  • high balancing weights are generally to be considered disadvantageous, since additional masses, in particular the balancing weights must be accelerated.
  • the object of the present invention is to achieve the abovementioned properties of the magnetic drive according to the invention by a modification of the magnetic drive in comparison with magnetic drives according to the prior art without the use of additional means or devices.
  • the invention disclosed below likewise relates to the use or design of the magnetic drive according to the invention as a drive element, generator or as a resistance element. In the latter case, an externally excited movement of the translator is prevented by the activation of the magnetic field and the force state acting between the stator and translator.
  • the magnetic device according to the invention may comprise a control device for controlling a distance r> 0 (in words: r greater than zero) of the translator to the stator during operation of the magnetic device with respect to the force state resulting between stator and translator.
  • the magnetic device according to the invention may further comprise a control device for controlling the force state by defining the distance r> 0.
  • control of the minimum distance r as a function of the acting force state and / or the control of the force state as a function of the distance r can also be effected as a function of external forces acting on the magnetic device according to the invention.
  • the magnetic device according to the invention can be characterized in that the translator and the stator has a distance r even when not in use, so that they do not act as a magnet, thus not as individual magnets.
  • the magnetic device can have a locking device, by means of which a movement of the translator relative to the stator can be prevented when the magnetic device is not in use.
  • the translator is in the Translatorzisraum along a polygonal Translatorschulsbahn relative to the stator, essentially Stator passing movable.
  • the extended translator path does not pass through the stator but passes the stator.
  • the distance r can be further set by the control device depending on the temporary properties of the magnets.
  • the temporary properties of the magnets can be changed on the one hand by external influences such as heat load, on the other hand controlled by other control devices.
  • the field strength of a magnetic field and the orientation of the magnet can be controlled by methods of the prior art.
  • the choice of materials and the combination of materials have an influence on the properties of a magnet.
  • the control device included in the magnetic device of the present invention can control the distance r with respect to the above-mentioned influences and characteristics of the magnets of the at least one stator or the at least one translator.
  • a polygonal translator trajectory may be characterized in that the translator's movement has a variable translator movement direction, which may be constantly variable. Possible shapes of a polygonal translator trajectory are a circular shape, the shape of an ellipse and a polygonal line having a starting point and an end point.
  • the trajectory of the translator may be defined by a mechanical constraining system such as a guide unit having a polygonal or linear extension.
  • the translator may be coupled with other movably, in particular rotatively or displaceably mounted elements which form such a mechanical constraint system and thus the movement of the translator pretend.
  • the translator may for example be coupled to a lever or a crankshaft.
  • the magnetic device according to the invention may be such that in partial regions of the translator movement path, a first interaction between the stator and translator, in further, for example, second partial regions further or second interactions between the stator and translator by the control device are created. This results in first attraction or repulsion forces and second attraction or repulsion forces between the stator and the translator prevail in the respective areas.
  • the translator and the stator are to be formed in the prior art of magnetic devices as electromagnets and / or permanent magnets.
  • the magnetic device according to the invention can comprise magnets with the same field strength as well as magnets with different field strengths as stator or translator.
  • the use of different field strength magnets includes that both the translator and the stator include a magnet having a greater field strength than the stator or translator.
  • the polarity of the stator and the translator to each other has to be such that a repulsive forces and / or forces of attraction comprehensive force state is created by a different or the same polarity of the stator and translator, so that due to the attractive forces and / or repulsive forces a movement of the translator is caused.
  • the polarity of stator and translator for generating the attraction and repulsion forces substantially corresponds to the prior art.
  • the invention further includes that the polarity of the stator and translator in dependence of the distance between the stator and the translator, in particular at a distance r between the stator and translator takes place.
  • stator and translator are a variable size. A variance of the distance may be due to production or due to the changing material properties.
  • the invention disclosed herein essentially shows the relationship between the distance r and the power of the magnetic device according to the invention or a magnetic device according to the prior art.
  • An application of the invention is in the control of a magnetic device as a function of the measured distance, so that the magnetic device provides a defined performance.
  • the translator may be passably movable in the translator travel direction along a translator polygonal path relative to the stator, substantially the stator.
  • the extended translator path does not pass through the stator but passes the stator.
  • the distance r in particular a minimum distance r, can be set by the control device with reference to the force state that arises between a stator and the translator, such that a force acting on the translator effective resultant force state at a position X t of the translator is a maximum, wherein for the forces acting on the translator forces state the following relationship applies
  • volumetric magnetic susceptibility is defined by the following relationship
  • volumetric magnetic susceptibility of the material is the relative magnetic permeability of the material, is the absolute magnetic permeability of the material,
  • the magnetic dipoles correspond to the two magnetic charges which dipoles through a distance are separated.
  • the positive magnetic charge is associated with the north polarity, the negative magnetic charge with the south polarity.
  • the magnetic dipole moment is oriented from the south pole to the north pole.
  • an embodiment of the magnetic drive according to the invention comprising three electromagnets aligned on one axis is considered, wherein the first and the second electromagnet are immovably mounted and are thus referred to below as stators.
  • the stators are arranged on an axis and spaced apart by a distance d.
  • the stators are sufficiently characterized in view of this disclosure by the following parameters. as the number of windings on the coil of the stator,
  • the third magnet is movably arranged relative to the two stators.
  • the third magnet is called in the following translator and is sufficiently determined by the following parameters: as the number of windings on the spool of the translator, as the length of the translator in meters (m),
  • the stators are powered by a DC source electrically connected, which results in that the absolute value of the magnitude of the magnetic poles are equal, but the induced induction fields are directed in opposite directions.
  • the resulting force state is calculated, which results in a poling of the stators and the translator according to the illustrations in FIG. 1 established.
  • the polarity of the translator shown in Figure 1 is also referred to as a "negative" polarization of the translator, ie, that the magnetic dipole moment m t is oriented in the direction.
  • the resulting force state can be calculated by the following summation of the eight interactions between the magnetic poles.
  • the resulting force state on the translator is the vectorial sum of all interactions:
  • the resulting force state is calculated, which adjusts in a polarity of the stators and the translator as shown in Figure 2.
  • the polarity of the translator shown in Figure 2 is also referred to as a "positive" polarization of the translator, that is, that the magnetic dipole moment m t is oriented in the direction e ox .
  • Stator # 2 is so polarized that
  • the size of the magnetic induction field has already been defined by equation (2.1), from which the size of the magnetic induction field between the first stator and the translator can be derived. with as the position on the axis in terms of which calculated
  • Equation (3.6) Equation (3.6) becomes:
  • Magnetic pole strengths are calculated using equations (4.4a) for the first stator, (4.4b) for the second stator, and (4.4c) for the translator.
  • the calculation of the magnetic pole strengths involves the calculation of the total magnetic induction field at the poles. This is done using equations (4.2a) and (4.2b).
  • Equation (4.5) is a function of the position of the translator between the stators.
  • the resultant force state acting on the translator is composed of the repulsive force acting between the first stator and the translator and the attractive force acting between the second stator and the translator.
  • the translator may be rotatable relative to the stator about a point of rotation.
  • the magnetic device according to the invention can be characterized in that the translator relative to the stator, further the translator and the stator are moved relative to another fixed point.
  • the translator and the stator In a movement of the translator and the stator relative to a fixed point, the translator and the stator can have a direction of movement that is rectified with respect to one another or a direction of movement that is opposite to one another.
  • the control device may comprise a device for a movable stator bearing of the stator and / or a device for a movable translator bearing of the translator with respect to the distance of the translator to the stator.
  • the distance of the translator to the stator can be defined by a displacement of the stator or the translator.
  • the control device may comprise a device for a fixed stator mounting of the stator and / or a device for a stationary translator bearing of the translator with respect to the distance of the translator to the stator.
  • a magnetic device comprising translators and stators mounted immovably to one another comprises a control device for controlling the force state acting between the stators and translators.
  • the control of the force state may include control of the interaction between the individual stators and translators.
  • the stator may have a constant distance to the Tanslatorschulsbahn having a distance by which the distance of the distance of the translator is defined to the stator.
  • the stator may further include a shape having a variable distance from the translator path, by which distance the distance of the translator from the stator is defined.
  • the distance between the stator and the translator can be defined by the shape of the translator and the stator relative to one another.
  • the above combination does not exclude that the distance r is defined solely by the shape of the stator and translator. For example, if the stator and translator have mutually conformational shapes when the stator and translator are arranged in parallel, the distance between the translator and the stator is constant.
  • the distance between the translator and the stator can not be constant, ie. be variable with the course of the Translatorzisbahn.
  • the distance of the translator from the stator can not be constant, i. be variable with the course of the Translatorzisbahn.
  • the point of rotation and a geometric stator center of gravity and / or a geometric translator center point may be arranged at one point.
  • the arrangement of the point of rotation and the geometrical Stator scholarsembls and the geometric Translator scholarsembls may be particularly advantageous in a circular Translatorrisonsbahn and a rotational movement of the translator relative to the stator because of a compactness of the magnetic device according to the invention.
  • the stators or the translators may be designed as electromagnets, wherein the field strength of the electromagnet can be controlled by means of the control device.
  • the invention disclosed herein does not exclude that both the stators and the translators may be formed as electron magnets.
  • the control device of the magnetic device according to the invention may comprise a means for controlling the electromagnets.
  • the further approach is based on the fact that the field strength of the stators and / or the translators by means of the control device as a function of the distance of the Translators is defined to the stator, so that the magnetic device has a special efficiency.
  • the field strength of the stators and / or the translators may further be controlled with respect to a temporary position of the translator relative to the stator, in particular to the temporary distance r.
  • Figure 1 shows a view in the direction of the axis of rotation of the translator of an embodiment of the magnetic device according to the invention.
  • FIG. 2 and FIG. 3 each show a view in the direction of the axis of rotation of the translator of a further embodiment of the magnetic device according to the invention.
  • Figure 4 show in principle exemplary embodiments of the Translatorzisbahn and the stator with a variable over the course of the Translatorzisbahn distance r.
  • FIG. 7 shows, in principle, exemplary embodiments of the translator movement path and of the stator with a spacing r which remains constant over the course of the translator movement path.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the magnetic device according to the invention comprising two stators 1 and two translators 2.
  • the translators 2 are connected to each other by a rotary element 9.
  • the rotation element is rotatably mounted at a rotation point 3.
  • the translators 2, have the shape of circular ring segments.
  • the geometric translator center point 8 is at the rotation point 3.
  • the stators 1 Seen from the point of rotation 3, the stators 1 are arranged outside the translators 2 and outside the translator movement path 5.
  • the stators 1 are immovably mounted with respect to the rotation point 3.
  • the stators 1 also have the form of Kreissegementen, wherein the geometric Statoren scholarstician 7 is in the rotation point 3.
  • the shape of the stators 1 is congruent to that of the translators 2.
  • the translators 2 rotate about the point of rotation 3 along the translator path 5 in translator movement direction 6.
  • the translator path 5 due to its circular shape causes a continuously changing direction of translator movement 6.
  • the magnetic device according to the invention When using the magnetic device according to the invention as a drive is a movement of the translators 2 about the rotation point 3 according to the activatable between the translators 2 and the stators 1 attraction forces and Repulsive forces accomplished.
  • the forces of attraction and repulsion essentially define the force state acting between the stators 1 and translators 2, the magnitude of the forces of attraction and repulsion forces being defined by the adjustable distance r.
  • the translators 2 for example, as permanent magnets, the stators 1 designed as electromagnets.
  • the translators 2 are mounted displaceably on the rotary element 9 by a translator bearing 4, so that the adjustable distance r results from the position of the translators on the rotary element 9.
  • the position of the translators 2 on the rotary member 9 is to be controlled with respect to the distance r of a translator 2 to the nearest adjacent stator 1 and also to the farther stator 1.
  • the translator bearing 4 is a part of the control device, by means of which control device, a control of a distance r> 0 (in words: r greater than zero) of the translator 2 to the stator 1 during operation of the magnetic device with respect to the resulting between stator 1 and translator 2 force state betechnikstelligbar, wherein the translator 2 in the Translator Gaysplatz 6 along a circular translator movement path 5 is movable relative to the stator 1.
  • FIG. 2 shows a further embodiment, which is constructed similarly to the embodiment shown in FIG.
  • the translators 2 are non-displaceable and thus mounted non-displaceably on the rotary element 9.
  • the force state acting between the stators 1 and the translators 2 is defined by the field strength of the stators 1 designed as electromagnets, also in comparison to the field strength of the translators 2 designed as permanent magnets.
  • the magnetic device according to the invention comprises a control device for controlling the field strength of the stators 1 with reference to the distance r> 0 of the translator 2 to the stator 1 during operation of the magnetic device, the translator 2 in the Translator Gaysraum 6 along a circular translator movement path 5 is movable.
  • the distance r may be variable due to material changes in the course of use of the device according to the invention, so that it can be ensured by controlling the field strength of the stator 1 and / or translator 2 that the device according to the invention is always operated under optimal conditions.
  • Figure 3 shows a further embodiment of the magnetic device according to the invention, which in turn is similar in terms of the construction and the shape of the translators 2 to the embodiment shown in Figure 1.
  • the further embodiment shown in FIG. 3 is characterized by a changing distance r between the stator 1 and the moving translator 2.
  • the distance r is essentially predetermined by the shape of the stator 1 as a function of the shape of the translator 2.
  • the shape of the stator 1 influences the force state acting between the stator 1 and the translator 2.
  • the magnetic device shown in Figure 3 is characterized in that the force generated by the crank mechanism 12 is substantially constant due to the formation of the stators 1.
  • FIG. 4 shows, in principle, exemplary embodiments of the translator movement path and of the stator, wherein the further elements of the magnetic device according to the invention are not shown in FIG. 1 for reasons of simplification.
  • Figure 5 illustrates the possibility of forming the Translatorschulsbahn 5 in the form of a circle in elliptical shape of the stator first Over the course of the Translatorschulsbahn 5 in the direction of Translatorschulsplatz 6, the distance r changes.
  • Figure 6 illustrates the possibility of forming the translator path 5 in the form of an ellipse and the formation of the stator as a circle. The distance r is variable with the course of the Translatorschulsbahn 5 in Translatorschulsplatz. 6
  • FIG. 7 shows the configuration of the translator movement path 5 as a polygonal line and the arrangement of stators 1 formed as a rectangle along a line arranged as aêt to the polygonal line of the translator movement path 5.
  • the distance r is in turn variable with the course of the Translatorschulsbahn 5 in Translatorschulsraum 6.
  • the variable distance r is relative to the force acting between the stators 1 and the translator 2 and forces 10 on, for example, from the outside to the magnetic device forces (not shown).
  • the polarity N, S of the stators 1 arranged along an axis and the punctiform translator 2 in FIG. 6 are plotted. Due to the required polarity, the stators are designed as electromagnets relative to the position of the translator 2 relative to the stator 1.
  • the translator 2 is designed as a permanent magnet.
  • Figure 7 shows the possibility of forming the Translatorschulsbahn 5 in the form of a circle and the formation of the stator in the form of a circle.
  • the distance r between the translator 2 moving on the translator path 5 is defined with reference to the force state resulting between the stator and the translator, in particular the position of a translator 2 relative to the stator 1.
  • the force state is defined by the forces 10 acting between the stators 1 and the translators 2, in particular the forces of attraction and repulsion acting.
  • the magnetic device according to the invention is characterized in that the attraction and repulsion forces between the translator 2 and all adjacent, located in the respective area of action stators 1 is considered.
  • FIG. 8 shows a possible embodiment of the device according to the invention, in which the translator 2 is movable between the stators 1 along a path of movement extending in a polygonal manner.
  • the end points of the movement path 5 have the distance r to the stators 5, so that the translator 2 is located in a force field 10 that results for all stators 1.
  • FIG. 9 shows the magnetic device shown in FIG. 1 at a time t + 1.
  • the magnetic device is shown at a time t.
  • the connecting line 12 passes through a center point of a translator 12 and a center point of the stator 11.
  • the force F (Xt) is oriented parallel to the connecting line, neglecting the influence of the more distant stator.
  • the orientation of the force F (Xt) corresponds to the equation given in claim 2.

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Abstract

Magnetvorrichtung umfassend zumindest einen Stator (1) und zumindest einen Translator (2), welcher Translator (2) relativ zum Stator (1) bei Betrieb der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung in einer kontinuierlich veränderlichen Translatorbewegungsrichtung (6) bewegbar gelagert ist, wobei die Magnetvorrichtung eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Abstandes r≥0 (in Worten: r größergleich Null) des Translators (2) zum Stator (1) bei Betrieb der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung in Bezug auf den sich zwischen Stator (1) und Translator (2) ergebenden Kräftezustand und/oder zur Steuerung des sich zwischen Stator (1) und Translator (2) ergebenden Kräftezustandes in Abhängigkeit des Abstandes r≥0 umfasst.

Description

Maqnetvorrichtung mit polygonaler Bewegung des Translators
Die folgende Erfindung betrifft eine Magnetvorrichtung umfassend zumindest einen Stator und zumindest einen Translator, welcher Translator relativ zum Stator bei Betrieb der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung in einer kontinuierlich veränderlichen Translatorbewegungsrichtung bewegbar gelagert ist.
Der Betrieb von Elektromotore nach dem Stand der Technik, insbesondere der Betrieb von Rotationsmotoren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke des Translators und des Stators in Abhängigkeit der von außen auf den Elektroantrieb wirkenden Kraft oder der zu erzeugenden Kraft gesteuert wird. Der Abstand des Translators zum Stator wird bei Betrieb eines Elektromotors nach dem Stand der Technik nicht verändert.
Die Erfindung stellt sich unter anderem die Aufgabe, einen Magnetantrieb mit einem besonders guten Wirkungsgrad bereitzustellen. Weiters ist es Aufgabe der Erfindung einen Magnetantrieb mit besonders positiven Eigenschaften wie hohe Laufruhe, einer möglichst gleichmäßigen Bewegung des Translators zu gewährleisten.
Eine hohe Laufruhe oder eine möglichst gleichmäßige Bewegung des Translators kann nach dem Stand der Technik durch die Verwendung von im Vergleich zum Gesamtgewicht der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung hohen Ausgleichsmassen bewerkstelligt werden. Die Verwendung von derartigen Ausgleichsmassen ist jedoch allgemein als nachteilig zu beurteilen, da zusätzliche Massen, insbesondere die Ausgleichsmassen beschleunigt werden müssen.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit die oben genannten Eigenschaften eines Magnetantriebes durch den Einsatz einer Steuerungsvorrichtung zu gewährleisten.
Die hier diskutierte Erfindung stellt sich die Aufgabe, die oben genannten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Magnetantriebes durch eine Modifikation des Magnetantriebes im Vergleich zu Magnetantrieben nach dem Stand der Technik ohne durch die Verwendung von zusätzlichen Mitteln oder Vorrichtungen zu erreichen. Die im folgenden offenbarte Erfindung betrifft gleichermaßen die Verwendung oder Ausbildung des erfindungsgemäßen Magnetantriebes als Antriebselement, Generator oder als Widerstandselement. Bei letzterem wird eine von außen angeregte Bewegung des Translators durch die Aktivierung des Magnetfeldes und den zwischen dem Stator und Translator wirkenden Kräftezustand unterbunden.
Erfindungsgemäß wird dies durch die im Folgenden offenbarten Lösungsansätze erreicht. Es ist durch die Offenbarung der Erfindung nicht ausgeschlossen, dass die im folgenden diskutierten Lösungsansätze miteinander kombiniert werden.
Im Rahmen eines möglichen Lösungsansatzes kann die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Abstandes r>0 (in Worten: r größer Null) des Translators zum Stator bei Betrieb der Magnetvorrichtung in Bezug auf den sich zwischen Stator und Translator ergebenden Kräftezustand umfassen.
Im Rahmen eines weiteren Lösungsansatzes kann die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung weiters eine Steuervorrichtung zur Steuerung des Kräftezustandes durch eine Definition des Abstandes r>0 umfassen.
Die Steuerung des minimalen Abstandes r in Abhängigkeit des wirkenden Kräftezustandes und/oder die Steuerung des Kräftezustandes in Abhängigkeit des Abstandes r kann auch in Abhängigkeit von von außen auf die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung wirkender Kräfte erfolgen.
Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung kann sich dadurch auszeichnen, dass der Translator und der Stator auch bei Nichtbenutzung einen Abstand r aufweist, sodass diese nicht als ein Magnet, somit nicht als Einzelmagnete wirken. Die Magnetvorrichtung kann hierzu eine Arretiervorrichtung aufweisen, mittels welcher eine Bewegung des Translators relativ zum Stator bei Nichtbenutzung der Magnetvorrichtung unterbindbar ist.
Der Translator ist in der Translatorbewegungsrichtung entlang einer polygonal verlaufenden Translatorbewegungsbahn relativ zum Stator, im wesentlichen den Stator passierend bewegbar. Die verlängerte Translatorbewegungsbahn verläuft nicht durch den Stator, sondern verläuft am Stator vorbei.
Der Stator und der Translator können einen Magnetteil und eine den Magnetteil umhüllende Schicht oder ein einen Kontakt der Magnetteile von Stator und Translator unterbindendes Distanzstück umfassen, sodass bei einem Abstand r=0 der Stator und der Translator, jedoch nicht die Magnetteile des Stators und des Translators kontaktieren.
Der Abstand r kann durch die Steuervorrichtung weiters in Abhängigkeit der temporären Eigenschaften der Magnete gesetzt werden. Die temporären Eigenschaften der Magnete können sich einerseits durch externe Einflüsse wie Wärmebelastung verändern, andererseits durch weitere Steuervorrichtungen gesteuert werden. Beispielsweise ist die Feldstärke eines Magnetfeldes sowie die Ausrichtung des Magneten durch Methoden nach dem Stand der Technik steuerbar. Weiters haben unter Verweis auf die gängige Lehre die Materialwahl sowie die Kombination von Materialien einen Einfluss auf die Eigenschaften eines Magneten.
Die von der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung umfasste Steuervorrichtung kann den Abstand r in Bezugnahme auf die oben erwähnten Einflüsse und Eigenschaften der Magnete des zumindest einen Stators oder des zumindest einen Translators gesteuert werden.
Eine polygonale Translatorbewegungsbahn kann dadurch charakterisiert sein, dass die Bewegung des Translators eine veränderliche, gegebenenfalls konstant veränderliche Translatorbewegungsrichtung aufweist. Mögliche Formen einer polygonalen Translatorbewegungsbahn sind eine Kreisform, die Form einer Ellipse und eine polygonale Linie mit einem Anfangspunkt und einen Endpunkt. Die Bewegungsbahn des Translators kann durch ein mechanisches Zwangssystem wie eine eine polygonale oder lineare Erstreckung aufweisende Führungseinheit definiert sein. Der Translator kann mit weiteren beweglich, insbesondere rotativ oder verschieblich gelagerten Elementen gekoppelt sein, welche ein solches mechanisches Zwangssystem bilden und so die Bewegung des Translators vorgeben. Der Translator kann beispielsweise mit einem Hebel oder einer Kurbelwelle gekoppelt sein.
Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung kann so beschaffen sein, dass in Teilbereichen der Translatorbewegungsbahn eine erste Wechselwirkung zwischen Stator und Translator, in weiteren wie beispielsweise zweiten Teilbereichen weitere beziehungsweise zweite Wechselwirkungen zwischen Stator und Translator durch die Steuervorrichtung geschaffen werden. Es herrschen dadurch erste Anziehungsoder Abstoßungskräfte und zweite Anziehungs- oder Abstoßungskräfte zwischen dem Stator und dem Translator in den jeweiligen Bereichen herrschen.
Der Translator und der Stator sind nach dem Stand der Technik von Magnetvorrichtungen als Elektromagnete und/oder Permanentmagnete auszubilden. Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung kann Magnete sowohl mit gleicher Feldstärke als auch Magnete mit unterschiedlicher Feldstärke als Stator beziehungsweise Translator umfassen. Die Verwendung von Magneten mit unterschiedlicher Feldstärke schließt ein, dass sowohl der Translator als auch der Stator einen Magneten umfasst, welcher eine größere Feldstärke als der Stator beziehungsweise der Translator aufweist.
Die Polung des Stator und des Translators zueinander hat so zu erfolgen, dass durch eine unterschiedliche beziehungsweise gleiche Polung von Stator und Translator ein Abstoßungskräfte und/oder Anziehungskräfte umfassender Kräftezustand geschaffen wird, sodass zufolge der Anziehungskräfte und/oder Abstoßungskräfte eine Bewegung des Translators hervorgerufen wird. Die Polung von Stator und Translator zur Generierung der Anziehungs- und Abstoßungskräfte entspricht im wesentlichen dem Stand der Technik.
Die Erfindung schließt weiters ein, dass die Polung von Stator und Translator in Abhängigkeit des Abstandes zwischen dem Stator und dem Translator, insbesondere bei einem Abstand r zwischen Stator und Translator erfolgt.
Eine mögliche Anwendung der hier offenbarten Erfindung liegt neben der Bereitstellung einer Magnetvorrichtung mit einem besonders hohen Wirkungsgrad in der Steuerung von Magnetvorrichtungen nach dem Stand der Technik. Aufgrund von nicht vermeidbarer Ungenauigkeiten ist der Abstand zwischen Stator und Translator eine veränderliche Größe. Eine Varianz des Abstandes kann produktionsbedingt oder durch die sich verändernden Materialeigenschaften bedingt sein.
Es kann Aufgabe der hier offenbarten Erfindung sein, eine Laufunruhe eine bestehende Motor mittels der hier beschriebene Steuervorrichtung auszugleichen.
Die hier offenbarte Erfindung zeigt im Wesentlichen den Zusammenhang zwischen dem Abstand r und der Leistung der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung oder einer Magnetvorrichtung nach dem Stand der Technik auf. Eine Anwendung der Erfindung liegt in der Steuerung einer Magnetvorrichtung in Abhängigkeit des gemessenen Abstandes, sodass die Magnetvorrichtung eine definierte Leistung erbringt.
Der Translator kann in der Translatorbewegungsrichtung entlang einer polygonal verlaufenden Translatorbewegungsbahn relativ zum Stator, im wesentlichen den Stator passierend bewegbar sein. Die verlängerte Translatorbewegungsbahn verläuft nicht durch den Stator, sondern verläuft am Stator vorbei.
Die im folgenden offenbarte mathematische Erörterung des Zusammenhanges des Abstandes r und der von der Magnetvorrichtung abgegebenen Leistung ist auf den Sonderfall einer polygonalen Bewegungsbahn des Translators beschränkt, dass die Translatorbewegungsbahn und die Translatorbewegungsrichtung eines zwischen zwei Statoren bewegten Translators deckungsgleich und parallel zu der Verbindungsgraden der Statoren orientiert ist.
Im Falle einer mathematischen Erörterung einer davon abweichenden temporären Bewegung des Translators sind die entsprechenden Faktoren nach den Gesetzen der Trigometrie abzuändern.
Der Abstand r, insbesondere ein minimaler Abstand r kann durch die Steuervorrichtung unter Bezugnahme auf den sich zwischen einem Stator und dem Translator einstellenden Kräftezustandes setzbar sein, sodass ein auf den Translator wirkender resultierender Kraftzustand bei einer Position Xt des Translators ein Maximum ist, wobei für den auf den Translator wirkenden Kräftezustande folgende Beziehung gilt
Figure imgf000007_0001
mit a\s die magnetische Polstärke des Stators (1 ),
Figure imgf000007_0002
a\s die magnetische Poldstärke des Translators (2),
Figure imgf000007_0003
als die Position des Translators zum Translator
als die Erstreckungslänge des Stators (1 ) in Richtung von F(xt) ,
als die Erstreckungslänge des Translators (2) in Richtung von F(xt), wobei die auf den Translator wirkende Antriebskraft der parallel zu der Translatorbewegungsrichtung gerichtete Kraft F(r) entspricht. Die auf den Translator wirkende Kraft F(r) nach den Gesetzen der Mathematik mit einer entsprechenden Winkelfunktion (sin, cos) zu bewerten.
In obiger Gleichung sowie in der in Anspruch 2 dieser Offenbarung angegebenen Gleichung ist anstelle von r angegeben. Die obige Gleichung kann wie folgt
Figure imgf000007_0004
hergeleitet werden, wobei in obiger Gleichung wie in der in Anspruch 2 angegebenen aus Gründen der Vereinfachung die Wechselwirkung zwischen einem Stator und einem Translator betrachtet wird, während die nachstehende Herleitung der Gleichung die Wechselwirkung zwischen einem Translator und zwei Statoren zum Inhalt hat.
Die volumetrische magnetische Suszeptibilität ist durch die folgende Beziehung definiert
Figure imgf000008_0002
woraus die magnetische Induktion resultiert aus der Magnetisierung mal der magnetischen Feldstärke
Figure imgf000008_0003
oder
Figure imgf000008_0004
wobei
(Henry per meter) ist die magnetische Permeabilität des
Figure imgf000008_0005
Raumes,
ist die volumetrische magnetische Suszeptilität des Materials,
Figure imgf000008_0006
ist die relative magnetische Permeabilität des Materials,
Figure imgf000008_0007
ist die absolute magnetische Permeabilität des Materials,
ist die magnetische Induktion in Tesla (T),
ist das magnetische Feld in Amperes per meter (A/m),
ist die Magnetisierung in Tesla (T),
ist magnetische Dipolmoment per Volumeneinheit in Amperes per Meter (A/m).
Im folgenden wird eine zylindrische Schichtspule mit einem magnetischen Kern betrachtet, wobei die zylindrischen Geometrie zu der Vereinfachung nach dem Biot & Savart Gesetz führt.
Mit als Zentrum der zylindrischen Spule und
Figure imgf000008_0009
als Achse ist die magnetische Induktion bei einem Punkt Achse:
Figure imgf000008_0010
Figure imgf000008_0001
ist der Einheitsvektor der Achse
Figure imgf000008_0008
ist die absolute magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Kerns ist die Anzahl der vollständigen Wickelungen
Figure imgf000009_0006
ist die Länge der Spule in Meter (m)
ist der innere Radius der Spule in Meter (m)
ist die Stromflußstärke in Ampere (A) innerhalb der Spule
Auf den magnetischen Polenden
Figure imgf000009_0005
ist die Induktionsfeldstärke nach Tesla wie folgt gegeben:
Figure imgf000009_0001
Aus der Gleichung (1 .6) leiten wir die magnetische Feldstärke
elektromagnetischen Polenden in Amperes per Meter ab.
Figure imgf000009_0004
wobei sich aus den Gleichungen (1 .4.) und (1 .6.) das magnetische Zweipolmoment in A/m ergibt:
Schließlich kann das ma netische Zweipolmoment wie folgt ausgedrückt werden:
Figure imgf000009_0003
wobei
Figure imgf000009_0008
bekanntlich das Volumen des elektromagnetischen Kerns ist.
Nach dem bekannten Gilbert-Model entsprechen die magnetische Dipole den zwei magnetischen Ladungen
Figure imgf000009_0007
, welche Dipole durch eine Distanz
Figure imgf000009_0009
getrennt sind. Die positive magnetische Ladung ist mit der Nord-Polung, die negative magnetische Ladung mit der Süd-Polung verknüpft.
Das magnetische Dipolmoment ist vom Süd-Pol zum Nord-Pol orientiert.
Figure imgf000010_0002
als die Größe der magnetischen Pole des Elektromagnetes in Amperemeter (A.m),
als die Distanz zwischen den magnetischen Polen in Meter (m). Durch Kombination der Gleichungen (2.5) und (2.6) erhält man
Figure imgf000010_0001
mit
als die Größe der magnetischen Pole des Elektronmagnetes in Amperemeter (A.m),
als die volumetrische Suszeptibilität des Materials,
als die Anzahl der vollständigen Wickelungen,
Figure imgf000010_0003
als die Länge der Spule in Meter (m),
als der innere Radius der Spule in Meter (m),
als die Stromstärke innerhalb der Spule in Ampere (A).
Im Weiteren wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetantriebes umfassend drei auf einer Achse ausgerichtete Elektromagnete betrachtet, wobei der erste und der zweite Elektromagnet unbeweglich gelagert sind und somit im folgenden als Statoren bezeichnet werden. Die Statoren sind an einer Achse angeordnet und durch eine Distanz d voneinander beabstandet. Die Statoren sind in Hinblick auf diese Offenbarung durch die folgenden Parameter hinreichend charakterisiert. als die Anzahl der Wickelungen auf der Spule des Stators,
als die Länge des Stators in Meter (m),
als der Radius der Spule des Stators in Meter (m), als die Stromstärke innerhalb der Spule des Stators in Ampere (A), als die volumetrische magnetische Suszeptibilität des ferromagnetischen
Kerns des Stators und
als Distanz zwischen den beiden Statoren.
Figure imgf000011_0001
Der dritte Magnet ist beweglich relativ zu den zwei Statoren angeordnet. Der dritte Magnet wird im folgenden Translator genannt und ist durch die folgenden Parameter hinreichend bestimmt: als die Anzahl der Wickelungen auf der Spule des Translators, als die Länge des Translators in Meter (m),
als der Radius der Spule des Translators in Meter (m),
als die Stromstärke in Ampere innerhalb der Translatorspule in Ampere
(A),
als die volumetrische magnetische Suszeptibilität des ferromagnetischen Kerns des Translators und
a|s die Wegstrecke, welcher der Translator bei Bewegung
Figure imgf000011_0002
zwischen den Statoren zurücklegt.
Die Statoren sind mit einer Gleichstromquelle
Figure imgf000011_0003
elektrisch verbunden, wodurch sich ergibt, dass die betragsmäßige Stärke der magnetischen Pole in Absolutwerten gleich sind, jedoch die erwirkten Induktionsfelder in entgegengesetzten Richtungen gerichtet sind.
Die Polung der Statoren und des Translators ist wie aus den Figuren 1 und 2 dem Fachmann ersichtlich zu wählen, um eine Bewegung des Translators zufolge einer Abstoßungskraft und einer Anziehungskraft, welche im folgenden durch den daraus resultierenden Kraftzustand beschrieben sind, zu erwirken.
In folgenden wird der resultierende Kräftezustand berechnet, welcher sich bei einer Polung der Statoren und des Translators gemäß der Darstellungen in Figur 1 einstellt. Die in Figur 1 gezeigte Polung des Translators wird auch als eine„negative" Polarisierung des Translators bezeichnet, d.h. dass das magnetische Dipolmoment mt ist in Richtung orientiert.
Figure imgf000012_0002
Unter Verwendung der Gleichung (2.5) gilt
Figure imgf000012_0001
Unter Verweis auf das Gilbert-Model wird angenommen, dass die zwischen den Magneten auftretenden Magnetkräfte wegen der stattfindenden Interaktion der magnetischen Ladungen in der Nähe der Pole der magnetischen Dipole entstehen. Die Interaktionskräfte zwischen den magnetischen Polen sind durch die Gleichung (3.3) gegeben.
Figure imgf000012_0003
wobei
die Stärke des magnetischen Pols,
der Abstand der magnetischen Pole ist.
Die stattfindende Interaktion zwischen Statoren und Translator bewirken einen resultierenden Kraftzustand, welcher auf den Translator wirkt. Dieser resultierende
Kraftzustand ist gleichgerichtet mit der (0x) Achse und ist in die Richtung eox gerichtet (in Figur 1 von links nach rechts).
Unter Berücksichtigung von
Figure imgf000012_0004
fur die Translator- Bewegungsdistanz zwischen den Statoren erhält man
Figure imgf000013_0004
mit als die Position des Translatormittelpunktes auf der
Figure imgf000013_0005
Achse . Unter Verwendung des bekannten Gilbert Models kann der resultierende Kraftzustand durch die folgende Summierung der acht Interaktion zwischen den magnetischen Polen berechnet werden.
Bei gilt für die Anziehungsinteraktion zwischen dem linken Stator und
Figure imgf000013_0012
dem Translator bei einer Distanz
Figure imgf000013_0006
gilt:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0011
sich aufhebende Wechselwirkungskräfte bei einer Distanz
Figure imgf000013_0007
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000013_0010
sich aufhebende Wechselwirkungskräfte bei einer Distanz
Figure imgf000013_0008
Figure imgf000013_0003
Figure imgf000013_0013
Anziehungskräfte bei einer Distanz :
Figure imgf000013_0009
Figure imgf000014_0001
Bei
Figure imgf000014_0005
gilt für die Abstoßungsinteraktion zwischen dem rechten Stator und dem Translator bei einer Distanz
Figure imgf000014_0006
Figure imgf000014_0002
Figure imgf000014_0007
Anziehungskräfte bei einer Distanz
Figure imgf000014_0008
Figure imgf000014_0003
Figure imgf000014_0009
Anziehungskräfte bei einer Distanz
Figure imgf000014_0010
Figure imgf000014_0011
Figure imgf000014_0012
Abstoßungskräfte bei einer Distanz
Figure imgf000014_0013
Figure imgf000014_0004
Der resultierende Kraftzustand auf den Translator ist die vektorielle Summe alle Interaktionen:
Figure imgf000015_0001
mit:
Figure imgf000015_0002
Weiters wird der resultierende Kräftezustand berechnet, welcher sich bei einer Polung der Statoren und des Translators gemäß der Darstellungen in Figur 2 einstellt. Die in Figur 2 gezeigte Polung des Translators wird auch als eine„positive" Polarisierung des Translators bezeichnet, d.h. dass das magnetische Dipolmoment mt ist in Richtung eox orientiert.
Aus Gleichung (3.1 ) und Gleichung (3.2) erhält man Gleichung (3.2'):
Figure imgf000016_0001
Mit als die aus der Interaktion zwischen Statoren und Translatoren
Figure imgf000016_0002
hervorgehende Kraft mit einer Polarisation des Translators gemäß Figur 2 und a\s die analoge Kraft bei einer Polarisation des Translators gemäß Figur 1
Figure imgf000016_0003
ergeben sich die folgenden Beziehungen über die Interaktion zwischen den Polen:
Figure imgf000016_0004
Für die in Figur 1 dargestellten Bedingungen gilt unter Beachtung von
Anzahl der Wickelungen der Spule des Translators beziehungsweise des Stators,
Länge des Stators beziehungsweise des Translators im Meter (m), Radius des Stators beziehungsweise des Translators im Meter (m), Stromstärke in Ampere (A) innerhalb der Spule des Translators beziehungsweise des Stators,
ist die magnetische Suszeptibilität des ferromagnetischen Kerns des Stators beziehungsweise des Translators,
- Stator #1 ist so gepolt, dass gilt,
Figure imgf000016_0005
Stator #2 ist so gepolt, dass
Figure imgf000016_0006
Figure imgf000017_0001
mit
Figure imgf000017_0003
als die Richtung des magnetischen Dipolmomentes des Translators Diese Richtung ist durch die Richtung der
Figure imgf000017_0002
Wechselstromspannung
Figure imgf000017_0004
innerhalb des Translators gegeben.
Figure imgf000017_0005
Bei gleichen Längen der Elektromagnete
Figure imgf000017_0006
Gleichung (3.6) kann wie folgt vereinfacht werden:
Figure imgf000018_0001
Die weitere Diskussion basiert auf der getroffenen Vereinfachung, dass die Polstärken der Magnete konstant sind, wenngleich in Realität bei einer Bewegung des Translators zwischen den Statoren das magnetische Induktionsfeld
Figure imgf000018_0016
sich entwickelt.
Es gilt die Gleichung (4.1 a)
Figure imgf000018_0002
als das totale Induktionsfeld an der Achse bei einer Position
Figure imgf000018_0003
Figure imgf000018_0007
, wenn der Translator eine Position
Figure imgf000018_0006
erreicht hat,
als das Induktionsfeld des ersten Stators auf der Achse bei
Figure imgf000018_0004
Figure imgf000018_0008
einer Position
Figure imgf000018_0005
als das Induktionsfeld des zweiten Stators auf der Achse bei
Figure imgf000018_0013
Figure imgf000018_0009
einer Position
Figure imgf000018_0012
als das Induktionsfeld des Translators auf der Achse bei
Figure imgf000018_0014
Figure imgf000018_0010
Figure imgf000018_0011
einer Position
Figure imgf000018_0015
Die Größe des magnetischen Induktionsfeldes wurde bereits durch die Gleichung (2.1 ) definiert, woraus die Größe des magnetischen Induktionsfeldes zwischen erstem Stator und dem Translator ableitbar ist.
Figure imgf000019_0001
mit als die Position auf der Achse
Figure imgf000019_0002
in Bezug welcher berechnet
Figure imgf000019_0005
wird,
als die Position auf der Achse in Bezug welcher
Figure imgf000019_0003
Figure imgf000019_0006
berechnet wird
als die Position auf der Achse
Figure imgf000019_0004
in Bezug welcher
Figure imgf000019_0007
berechnet wird.
Mit
Figure imgf000019_0008
unter Verwendung von als Variablenänderungen ausgedrückt werden:
Figure imgf000019_0009
Figure imgf000020_0001
Auf der
Figure imgf000020_0007
Achse ist das Induktionsfeld in der gleichen Richtung wie das magnetische Dipolmoment orientiert. Unter Berücksichtigung von:
Figure imgf000020_0002
mit
als Einheitsvektor für die Richtung der Achse
Figure imgf000020_0005
als die Richtung des magnetischen Dipolmomentes des
Figure imgf000020_0006
Translators,
erhält man
Figure imgf000020_0003
Die Richtung ist durch die Richtung der Wechselspannung
Figure imgf000020_0008
innerhalb des Translators gegeben. Durch Zusammenschau der Gleichungen 1 .4), (1 .6) und (2.5) erhält man:
Figure imgf000020_0004
Da gilt
Figure imgf000021_0001
Gleichung (3.6) wird zu:
Figure imgf000021_0002
mit:
als die Translatorposition,
Figure imgf000021_0003
Figure imgf000021_0004
als die Translatorbewegungsstrecke,
als die Distanz zwischen den Zentren der Statoren.
Figure imgf000021_0005
Die magnetischen Polstärken werden unter Verwendung der Gleichungen (4.4a) für den ersten Stator, (4.4b) für den zweiten Stator und (4.4c) für den Translator berechnet. Die Berechnung der magnetischen Polstärken schließt die Berechnung des totalen magnetischen Induktionsfeldes an den Polen ein. Dies geschieht unter Verwendung der Gleichungen (4.2a) und (4.2b).
Die Gleichung (4.5) ist eine Funktion in Abhängigkeit der Postions des Translators zwischen den Statoren. Der auf den Translator wirkende resultierende Kraftzustand setzt sich zusammen aus der zwischen dem ersten Stator und dem Translator wirkenden Abstoßungskraft und der zwischen dem zweiten Stator und dem Translator wirkenden Anziehungskraft .
Die obige mathematische Erörterung zeigt weiters, dass bei einer Position des Translators zu einem Stator die Anziehungskraft und - nach Umpolung des Stators oder des Translators - die Abstoßungskraft unterschiedlich groß sind.
Der Translator kann relativ zum Stator um einen Rotationspunkt drehbar gelagert sein.
Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung kann sich dadurch auszeichnen, dass der Translator relativ zum Stator, weiters der Translator und der Stator relativ zu einem weiteren Fixpunkt bewegt werden. Bei einer Bewegung von Translator und Stator relativ zu einem Fixpunkt können Translator und Stator eine zueinander gleichgerichtete Bewegungsrichtung oder eine zueinander gegenläufige Bewegungsrichtung aufweisen.
Es ist ebenso eine Bewegung des Rotationspunktes entlang einer Bewegungsbahn wie beispielsweise der Translatorbewegungsbahn möglich, sodass der Translator relativ zum Stator eine Bewegung und eine Rotation erfährt.
Die Steuervorrichtung kann eine Vorrichtung zu einer beweglichen Statorlagerung des Stators und/oder eine Vorrichtung zu einer beweglichen Translatorlagerung des Translators in Bezugnahme auf den Abstand des Translators zum Stator umfassen. Der Abstand des Translators zum Stator kann durch eine Verschiebung des Stators oder des Translators definiert werden. Es sei hierbei auch unter Verweis auf die nachstehenden Figuren und die dazugehörige Figurenbeschreibung explizit erwähnt, dass die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung durch die Betrachtung der Wechselwirkung sämtlicher, in einem Wirkungsfeld stehenden Translatoren und Statoren charakterisiert sein kann.
Die Steuervorrichtung kann eine Vorrichtung zu einer unbeweglichen Statorlagerung des Stators und/oder eine Vorrichtung zu einer unbeweglichen Translatorlagerung des Translators in Bezugnahme auf den Abstand des Translators zum Stator umfassen.
Eine Magnetvorrichtung, welche zueinander unverschieblich gelagerte Translatoren und Statoren umfasst, umfasst eine Steuervorrichtung zur Steuerung des zwischen den Statoren und Translatoren wirkenden Kräftezustandes. Die Steuerung des Kräftezustandes kann eine Steuerung der Wechselwirkung zwischen den einzelnen Statoren und Translatoren umfassen.
Der Stator kann eine zu der Tanslatorbewegungsbahn konstante Distanz aufweisende Form aufweisen, durch welche die Distanz der Abstand des Translators zum Stator definiert wird.
Der Stator kann weiters eine zu der Translatorbewegungsbahn veränderliche Distanz aufweisende Form aufweisen, durch welche Distanz der Abstand des Translators zum Stator definiert wird.
Es kann zusätzlich zu einer Verschiebung von Stator und Translator zueinander der Abstand zwischen Stator und Translator durch die Formgebung des Translator und des Stators relativ zueinander definiert werden. Die angeführte Kombination schließt nicht aus, dass der Abstand r ausschließlich durch die Formgebung von Stator und Translator definiert ist. Weisen Stator und Translator beispielsweise zueinander kongurente Formen bei paralleler Anordnung von Stator und Translator auf, so ist der Abstand des Translators zum Stator konstant.
Bei nicht paralleler Anordnung von Stator und Translator zueinander, kann der Abstand des Translators zum Stator nicht konstant, d.h. mit dem Verlauf der Translatorbewegungsbahn variabel sein.
Bei nicht kongurenter Ausbildung von Stator und Translator kann der Abstand des Translators zum Stator nicht konstant, d.h. mit dem Verlauf der Translatorbewegungsbahn variabel sein.
Der Rotationspunkt und ein geometrischer Statorzentrumspunkt und/oder ein geometrischer Translatorzentrumspunkt können in einem Punkt angeordnet sein.
Die Anordnung des Rotationspunktes und des geometrischen Statorzentrumspunktes sowie des geometrischen Translatorzentrumspunktes kann insbesondere bei einer kreisförmigen Translatorbewegungsbahn und bei einer rotativen Bewegung des Translators in Bezug zum Stator wegen einer Kompaktheit der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung von Vorteil sein.
Eine oben erwähnte gegenläufige Bewegung von Stator und Translator zueinander um einen Rotationspunkt kann vorteilhaft in Bezug auf die Laufruhe der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung sein.
Die Statoren oder die Translatoren können als Elektromagnete ausgebildet sein, wobei mittels der Steuervorrichtung die Feldstärke des Elektromagneten gesteuert werden kann. Die hier offenbarte Erfindung schließt nicht aus, dass sowohl die Statoren als auch die Translatoren als Elektronmagnete ausgebildet sein können.
Die Steuervorrichtung der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung kann ein Mittel zur Steuerung der Elektromagnete umfassen.
Der weitere Lösungsansatz basiert darauf, dass die Feldstärke der Statoren und/oder der Translatoren mittels der Steuervorrichtung in Abhängigkeit des Abstandes des Translators zum Stator definiert wird, sodass die Magnetvorrichtung einen besonderen Wirkungsgrad aufweist. Die Feldstärke der Statoren und/oder der Translatoren kann weiters in Bezug auf eine temporäre Position des Translators relativ zum Stator, insbesondere auf den temporären Abstand r gesteuert sein.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung sind keinesfalls einschränkend zu interpretieren.
Figur 1 zeigt eine Ansicht in Richtung der Rotationsachse des Translators einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung.
Figur 2 und Figur 3 zeigen jeweils eine Ansicht in Richtung der Rotationsachse des Translators einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung.
Figur 4, Figur 5 und Figur 6 zeigen prinzipiell beispielhafte Ausführungsformen der Translatorbewegungsbahn und des Stators mit einem über den Verlauf der Translatorbewegungsbahn veränderlichen Abstand r.
Figur 7 zeigt prinzipiell beispielhafte Ausführungsformen der Translatorbewegungsbahn und des Stators mit einem über den Verlauf der Translatorbewegungsbahn gleichbleibenden Abstand r.
In den folgenden Figuren werden die im unten stehenden Absatz angeführten Bezugszeichen zur Bezeichnung der nachstehenden Elemente der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung verwendet. Es sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in den folgenden Figuren die zwischen den Statoren und den Translatoren wirkenden Anziehungskräfte oder Abstoßungskräfte nur teilweise eingezeichnet, obwohl diese in der nachstehenden Beschreibung erwähnt sind, da die Wirkungsweise der Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte für den Fachmann klar und nachvollziehbar ist.
1 Stator
2 Translator
3 Rotationspunkt 4 Translatorlagerung
5 Translatorbewegungsbahn
6 Translatorbewegungsrichtung
7 Statorzentrumspunkt
8 Translatorzentrumspunkt
9 Rotationselement
10 Kräfte
1 1 Zentrumspunkt eines Stators
12 Kurbeltrieb
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung umfassend zwei Statoren 1 und zwei Translatoren 2.
Die Translatoren 2 sind durch ein Rotationselement 9 miteinander verbunden. Das Rotationselement ist an einem Rotationspunkt 3 drehbar gelagert. Die Translatoren 2, weisen die Form von Kreisringsegmenten auf. Der geometrische Translatorzentrumspunkt 8 ist im Rotationspunkt 3.
Vom Rotationspunkt 3 aus gesehen sind außerhalb der Translatoren 2 und außerhalb der Translatorbewegungsbahn 5 die Statoren 1 angeordnet. Die Statoren 1 sind unbeweglich in Bezug zum Rotationspunkt 3 gelagert. Die Statoren 1 weisen ebenfalls die Form von Kreissegementen auf, wobei der geometrische Statorenzentrumspunkt 7 im Rotationspunkt 3 ist. Die Form der Statoren 1 ist kongurent zu jener der Translatoren 2.
Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung rotieren die Translatoren 2 um den Rotationspunkt 3 entlang der Translatorbewegungsbahn 5 in Translatorbewegungsrichtung 6. Die Translatorbewegungsbahn 5 bedingt wegen ihrer kreisförmigen Form eine sich kontinuierlich verändernde Translatorbewegungsrichtung 6.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung als Antrieb wird eine Bewegung der Translatoren 2 um den Rotationspunkt 3 zufolge der zwischen den Translatoren 2 und den Statoren 1 aktivierbaren Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte bewerkstelligt. Die Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte definieren im Wesentlichen den zwischen den Statoren 1 und Translatoren 2 wirkenden Kräftezustand, wobei die Größe der Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte durch den verstellbaren Abstand r definiert sind.
In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung sind die Translatoren 2 beispielsweise als Permanentmagnete, die Statoren 1 als Elektromagnete ausgeführt.
Die Translatoren 2 sind am Rotationselement 9 durch eine Translatorlagerung 4 verschieblich gelagert, sodass sich der verstellbare Abstand r aus der Position der Translatoren am Rotationselement 9 ergibt. Die Position der Translatoren 2 am Rotationselement 9 ist in Bezug auf den Abstand r eines Translators 2 zu dem am nächsten benachbarten Stator 1 und auch zu dem weiter entfernten Stator 1 zu steuern. Die Translatorlagerung 4 ist ein Teil der Steuervorrichtung, mittels welcher Steuervorrichtung eine Steuerung eines Abstandes r>0 (in Worten: r größer Null) des Translators 2 zum Stator 1 bei Betrieb der Magnetvorrichtung in Bezug auf den sich zwischen Stator 1 und Translator 2 ergebenden Kräftezustand bewerkstelligbar ist, wobei der Translator 2 in der Translatorbewegungsrichtung 6 entlang einer kreisförmig verlaufenden Translatorbewegungsbahn 5 relativ zum Stator 1 bewegbar ist.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, welche ähnlich zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform aufgebaut ist. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform sind die Translatoren 2 unverschieblich und somit unverstellbar am Rotationselement 9 gelagert. Der zwischen den Statoren 1 und den Translatoren 2 wirkende Kraftzustand wird durch die Feldstärke der als Elektromagneten ausgebildeten Statoren 1 , auch im Vergleich zu der Feldstärke der als Permanentmagneten ausgebildeten Translatoren 2 definiert.
Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung umfasst eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Feldstärke der Statoren 1 in Bezugnahme auf den Abstand r>0 des Translators 2 zum Stator 1 bei Betrieb der Magnetvorrichtung, wobei der Translator 2 in der Translatorbewegungsrichtung 6 entlang einer kreisförmig verlaufenden Translatorbewegungsbahn 5 bewegbar ist. Der Abstand r kann zufolge von Materialveränderungen im Laufe des Gebrauches der erfindungsgemäßen Vorrichtung veränderlich sein, sodass durch die Steuerung der Feldstärke des Stators 1 und/oder Translators 2 gewährleistbar ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung stets unter optimalen Bedingungen betrieben wird.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung, welche wiederum in Bezug auf den Aufbau und die Ausformung der Translatoren 2 ähnlich zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist.
Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist die in Figur 3 gezeigte weitere Ausführungsform durch einen sich verändernden Abstand r zwischen dem Stator 1 und dem sich bewegenden Translator 2 charakterisiert. Der Abstand r ist im Wesentlichen durch die Form des Stators 1 in Abhängigkeit der Form des Translators 2 vorgegeben. Durch die Form des Stators 1 wird der zwischen dem Stator 1 und dem Translator 2 wirkende Kräftezustand beeinflusst.
Die in Figur 3 gezeigte Magnetvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die durch den Kurbeltrieb 12 erzeugte Kraft wegen der Ausbildung der Statoren 1 im wesentlichen konstant ist.
Figur 4 zeigt prinzipiell beispielhafte Ausführungsformen der Translatorbewegungsbahn und des Stators, wobei die weiteren Elemente der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung in Figur 1 aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt sind.
Figur 5 illustriert die Möglichkeit der Ausbildung der Translatorbewegungsbahn 5 in Form eines Kreis bei ellipsenförmiger Ausbildung des Stators 1 . Über den Verlauf der Translatorbewegungsbahn 5 in Richtung der Translatorbewegungsrichtung 6 ändert sich der Abstand r. Figur 6 veranschaulicht die Möglichkeit der Ausbildung der Translatorbewegungsbahn 5 in Form einer Ellipse und die Ausbildung des Stators als ein Kreis. Der Abstand r ist veränderlich mit dem Verlauf der Translatorbewegungsbahn 5 in Translatorbewegungsrichtung 6.
Figur 7 zeigt die Ausbildung der Translatorbewegungsbahn 5 als eine polygonale Linie und die Anordnung von als Rechteck ausgebildeter Statoren 1 entlang einer zur der polygonalen Linie der Translatorbewegungsbahn 5 als Passante angeordnete Linie. Der Abstand r ist wiederum veränderlich mit dem Verlauf der Translatorbewegungsbahn 5 in Translatorbewegungsrichtung 6. Der veränderliche Abstand r ist in Bezug auf den durch die zwischen den Statoren 1 und dem Translator 2 wirkende Kräfte 10 und auf beispielsweise von außen auf die Magnetvorrichtung wirkende Kräfte (nicht dargestellt) gesetzt.
Aus Gründen der Vereinfachung sind in den Figuren 4a und 4b der Translator 2 und die zwischen dem Translator 2 und dem Stator 1 wirkenden Kräfte 10 nicht dargestellt.
Es ist die Polung N, S der entlang einer Achse angeordneten Statoren 1 und punktförmigen Translators 2 in Figur 6 eingetragen. Die Statoren sind wegen der erforderlichen Polung in Abhängigkeit der Position des Translators 2 relativ zum Stator 1 als Elektromagnete ausgebildet.
Der Translator 2 ist als Permanentmagnet ausgebildet.
Figur 7 zeigt die Möglichkeit der Ausbildung der Translatorbewegungsbahn 5 in Form eines Kreises und die Ausbildung des Stators in Form eines Kreises. Der Abstand r zwischen dem auf der Translatorbewegungsbahn 5 sich bewegenden Translators 2 ist in Bezugnahme auf den sich zwischen dem Stator und dem Translator ergebenden Kräftezustand, insbesondere der Position eines Translators 2 zum Stator 1 definiert. In Abhängigkeit dieser Relativposition herrschen zwischen dem jeweiligen Translator 2 und dem Stator 1 Anziehungskräfte oder Abstoßungskräfte. Der Kräftezustand ist definiert durch die zwischen den Statoren 1 und den Translatoren 2 wirkende Kräfte 10, insbesondere den wirkenden Anziehungs- und Abstoßungskräften. Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen dem Translator 2 und allen benachbarten, im jeweiligen Wirkungsbereich befindlichen Statoren 1 betrachtet wird.
Figur 8 zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in welcher der Translator 2 zwischen den Statoren 1 entlang einer sich polygonal erstreckenden Bewegungsbahn bewegbar ist. Die Endpunkte der Bewegungsbahn 5 weisen zu den Statoren 5 den Abstand r auf, sodass der Translator 2 in einen sich zu allen Statoren 1 ergebenden Kräftefeld 10 befindet.
Figur 9 zeigt die in Figur 1 dargestellte Magnetvorrichtung zu einem Zeitpunkt t+1 . In Figur 1 ist die Magnetvorrichtung zu einem Zeitpunkt t dargestellt.
Die Verbindungsgerade 12 verläuft durch einen Zentrumspunkt eines Translators 12 und einen Zentrumspunkt des Stators 1 1 . Die Kraft F(Xt) ist unter Vernachlässigung des Einflusses des weiter entfernten Stators parallel zu der Verbindungsgerade orientiert. Die Orientierung der Kraft F(Xt) entspricht der in Anspruch 2 angegebenen Gleichung.
Für die den Translator antreibende Kraft Fa(Xt) gilt,
Figure imgf000030_0001
, wobei α als der Winkel zwischen der Verbindungsgeraden 12 und der Translatorbewegungsrichtung 6 definiert ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Magnetvorrichtung umfassend zumindest einen Stator (1 ) und zumindest einen Translator (2), welcher Translator (2) relativ zum Stator (1 ) bei Betrieb der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung in einer kontinuierlich veränderlichen Translatorbewegungsrichtung (6) bewegbar gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Magnetvorrichtung eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Abstandes r>0 (in Worten: r größergleich Null) des Translators (2) zum Stator (1 ) bei Betrieb der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung in Bezug auf den sich zwischen Stator (1 ) und Translator (2) ergebenden Kräftezustand und/oder zur Steuerung des sich zwischen Stator (1 ) und Translator (2) ergebenden Kräftezustandes in Abhängigkeit des Abstandes r>0 umfasst.
2. Magnetvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Translator (2) den Stator (1 ) passierend beweglich gelagert ist.
3. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -2 umfassend zwei Statoren (1 ,1 ') und einen Translator (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand r, insbesondere ein minimaler Abstand r durch die Steuervorrichtung unter Bezugnahme auf den sich zwischen einem Stator (1 ) und dem Translator (2) einstellenden Kräftezustandes setzbar ist, sodass ein auf den Translator (2) wirkender resultierender Kraftzustand bei einer Position Xt des Translators (2) ein Maximum ist, wobei für den auf den Translator (2) wirkenden Kräftezustande folgende Beziehung gilt
Figure imgf000031_0001
mit a\s die magnetische Polstärke des Stators (1 ),
Figure imgf000032_0001
a\s die magnetische Poldstärke des Translators (2),
Figure imgf000032_0002
als die Position des Translators zum Translator
als die Erstreckungslänge des Stators (1 ) in Richtung von F(xt) ,
als die Erstreckungslänge des Translators (2) in Richtung von F(xt),
wobei die auf den Translator (2) wirkende Antriebskraft der parallel zu der Translatorbewegungsrichtung (6) gerichtete Kraft F(r) entspricht.
4. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, dass der Translator (2) um einen Rotationspunkt (3) drehbar gelagert ist.
5. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung eine Vorrichtung zu einer beweglichen Statorlagerung des Stators (1 , 1 ) und/oder eine Vorrichtung zu einer beweglichen Translatorlagerung (4) des Translators (2) in Bezugnahme auf den Abstand des Translators (2) zum Stator (1 ) umfasst.
6. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung eine Vorrichtung zu einer unbeweglichen Statorlagerung des Stators (1 , 1 ) und/oder eine Vorrichtung zu einer unbeweglichen Translatorlagerung (4) des Translators (2) in Bezugnahme auf den Abstand des Translators (2) zum Stator (1 ) umfasst.
7. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1 ) eine zu der Tanslatorbewegungsbahn (5) konstante Distanz aufweisende Form hat, durch welche Distanz der Abstand des Translators (2) zum Stator (1 ) definiert wird.
8. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator zu der Translatorbewegungsbahn (5) veränderliche Distanz aufweisende Form hat, durch welche Distanz der Abstand des Translators (2) zum Stator (1 ) definiert wird.
9. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationspunkt (3) und ein geometrischer Statorzentrumspunkt (7) und/oder ein geometrischer Translatorzentrumspunkt (8) aufeinandertreffen.
10. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -9, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoren (1 ) oder die Translatoren (2) als Elektromagnete ausgebildet sind, wobei mittels der Steuervorrichtung die Feldstärke des Elektromagneten gesteuert werden kann.
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