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Dokumentenidentifikation DE69211992T2 23.01.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0590185
Titel Elektromagnetischer Motor
Anmelder Magnetospheric Power Corp., Providenciales Turks and Caicos Islands, JM
Erfinder Kloosterhouse, George, Malabar, Florida 32950, US;
Paquette, Gerard, Isle of Man, GB
Vertreter Patentanwälte Wilhelm & Dauster, 70174 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 69211992
Vertragsstaaten AT, BE, DE, DK, ES, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 30.09.1992
EP-Aktenzeichen 921166930
EP-Offenlegungsdatum 06.04.1994
EP date of grant 03.07.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.1997
IPC-Hauptklasse H02K 29/10
IPC-Nebenklasse H02K 1/27   H02K 29/14   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Motor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Motor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE-A-32 30 283 bekannt. Durch die Vielzahl der Elektromagneten wird ein rotierendes magnetisches Feld erzeugt, das den Rotor antreibt. Dieser Motor ist als bürstenloser Gleichstrommotor ausgelegt.

Ein Scheibenmotoraufbau für einen elektromagnetischen Motor ist aus US-A-4 704 555 bekannt, wobei dieser Aufbau einen Ring aufweist, der aus Blech ausgestanzt ist, und dieser Ring einen ringförmigen magnetisierbaren Körper trägt, der aus vier bogenförmigen Körpersegmenten besteht. Jedes Körpersegment weist eine Vielzahl abwechselnder Nord- Südpolsegmente auf, die sich radial erstrecken.

Ein Scheibenrotoraufbau, der zwei Platten aufweist, die mit Permanentmagneten wechselnder Polarität versehen sind, ist auch aus BE-A-867 436 bekannt. Dieser Rotoraufbau ist in einem Stator angeordnet, der eine Vielzahl von Elektromagneten aufweist, die ein rotierendes magnetisches Feld erzeugen können, um den Rotoraufbau anzutreiben.

Aus US-A-4 578 606 ist ein bürstenloser elektromagnetischer Gleichstrommotor bekannt, der einen Tachosignalgeberaufbau aufweist. Der scheibenartige Rotor weist einen Permanentmagneten mit zwei Spuren mehrpoliger Magnetisierung auf. Die äußere Spur, die die Hauptspur ist, wird durch die Motorpole magnetisiert, d.h., durch abwechselnde Nord- und Südpole, die mit den Motorspulen wechselwirken und ein rotierendes magnetisches Feld erzeugen. Eine kleine innere Spur des Magneten ist mit einer höheren Anzahl wechselnder Pole magnetisiert, die für den Tachosignalgeber verwendet werden.

EP-A- 0 313 764 beschreibt eine Vorrichtung zur Energieumwandlung, die als ein elektromagnetischer Motor oder ein Generator oder als eine Vorrichtung, um elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln, verwendet werden kann. Die Vorrichtung weist einen Scheibenrotoraufbau und einen Stator auf. Der Rotoraufbau ist mit Permanentmagneten wechselnder Polarität versehen, die mit den Elektromagneten des Stators wechselwirken. Falls die Vorrichtung als Motor verwendet wird, erzeugen die Elektromagneten ein rotierendes magnetisches Feld.

Ein Gegenstand der Erfindung ist, einen elektromagnetischen Motor bereitzustellen, bei dem die elektrische Eingangsleistungsaufnahme mit wachsender mechanischer Drehgeschwindigkeit verringert wird. Dieser Gegenstand wird durch Anspruch 1 erreicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Andere Gegenstände, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung deutlich werden, die im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gegeben wird, die folgendes darstellen:

Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines Rotors, der in der Vorrichtung der Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Rotors der Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Draufsicht eines Magneten, der in dem Rotor der Fig. 2 und 3 verwendet wird;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht des Magneten der Fig. 4;

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Magneten, einer Befestigungseinrichtung und eines Abschnitts eines Rotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 ist ein Prinzipschaltplan eines Schaltkreises zur Erzeugung von Signalen, um die Elektromagneten der Vorrichtung der Fig. 1 zu erregen;

Fig. 8 ist ein Prinzipschaltplan, der die Elektromagneten der Vorrichtung der Fig. 1 gemeinsam mit zusätzlichen Stromkreisen zeigt, um die Elektromagneten zu beaufschlagen;

Fig. 9 bis 11 zeigen einen Abschnitt einer Vorrichtung gemäß der Erfindung während des Betriebs zu drei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten;

Fig. 12 ist eine Seitenansicht eines Rotors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die den Rotor der Fig. 12 aufweist.

Genaue Begchreibung der Erfindung:

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht einer Vorrrichtung gemäß der Erfindung. Ein Rotor 2, der in einer Kantenansicht gezeigt ist, wird durch eine Achse 4 getragen und rotiert um diese. Der Rotor 2 ist vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen, leitfähigen Material hergestellt, wie beispielsweise aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung. Die Achse 4 wird an ihren Enden in einer Basis 6 getragen. Einer oder mehrere Elektromagneten 8 sind durch geeignete Mittel so montiert, daß sie nahe dem Rotor 2 angeordnet sind. Während in der Fig. 1 vier Elektromagneten 8 gezeigt sind, kann jeder geeignete Anzahl verwendet werden. Während die Elektromagneten 8 ebenfalls alle auf einer gleichen Seite des Rotors 2 angeordnet sein können, sind die Elektromagneten 8 in dem in der Fig. 1 vorliegenden Ausführungsbeispiel auf beiden Seiten des Rotors 2 angeordnet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Elektromagneten U-förmig. Spulen 10 sind um die Elektromagneten 8 gewickelt. Wie im folgenden genau beschrieben werden wird, wird den Spulen 10 ein geeigneter elektrischer Strom zugeführt, so daß magnetische Felder in den Elektromagneten 8 induziert werden. Abhängig von der Richtung des Stroms durch eine Spule 10 kann ein gegebenes Ende eines Elektromagneten 8 entweder ein Nordpol oder ein Südpol sein. Eine geerdete Abdeckung 12 kann verwendet werden, um die gesamte Vorrichtung einzuschließen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine genauere Ansicht des Rotors 2 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Rotors 2 und Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Rotors 2. Auf einem Umfang 14 des Rotors 2 ist eine Vielzahl von Schlitzen 16 vorgesehen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schlitze 16 auf dem Umfang 14 Ende-an-Ende angeordnet, um die Form eines Polygons anzudeuten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind acht Schlitze gezeigt, die auf diese Weise die Form eines Achtecks andeuten. Wie in der Darstellung der Fig. 3 deutlicher zu erkennen ist, erstrecken sich die Schlitze teilweise durch den Rotor 2. Die Schlitze nehmen Permanentmagnete auf, die an dem Rotor 2 angebracht sind und mit diesem rotieren. Vorzugsweise sind die Schlitze 16 trapezoidförmig.

Die Fig. 4 und 5 zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Permanentmagneten 18, der in die Schlitze 16 eingeführt werden kann. Der Magnet ist als ein trapezoidförmiges Prisma geformt. Die Draufsicht in der Fig. 4 zeigt eine trapezoide Form. In Fig. 4 sind die obere und untere Begrenzung des Magneten parallel und die rechten und linken Seiten sind an der Oberseite etwas weiter voneinander entfernt als an der Unterseite. Wie deutlicher in der Fig. 2 gezeigt ist, passen die trapezoiden Formen dergestalt in die Schlitze 16 des Rotors 2, daß eine Folge gebildet wird, die Ende-an-Ende um den Umfang 14 des Rotors 2 läuft.

Während trapezoide Formen gezeigt sind, können andere Formen verwendet werden. Beispielsweise können die Magneten eine gewöhnliche rechtwinklige Form aufweisen. Allgemein wird bevorzugt, daß die Magneten 18 zwei längliche gegenüberliegende Seiten aufweisen, die als magnetische Pole dienen. Die Magneten werden in die Schlitze 16 eingeführt oder auf andere Weise an dem Rotor 2 angebracht, so daß der gewünschte Pol nach außen gerichtet ist. Auf diese Weise ist eine magnetische Dipolachse, die durch die zwei Pole eines der Magneten 18 läuft, ungefähr parallel mit einer Drehachse des Rotors 2. Während acht Magneten 18 auf jeder Seite des Rotors 2 gezeigt sind, kann die Anzahl der verwendeten Magneten 18, abhängig von Faktoren wie beispielsweise der Größe der gesamten Struktur, auch variieren.

Wie unten beschrieben wird, erzeugt die magnetische Anziehung und Abstoßung zwischen den Magneten 18 und den Elektromagneten 8 eine Schub-Zug-Wirkung, die verursacht, daß sich der Rotor 2 in einer gewünschten Richtung, entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn, dreht. Je länger die Magneten 18 von einem zum anderen Ende sind, desto länger ist die Dauer jedes Schubs und jedes Zugs. Daher steht die Leistung des elektromagnetischen Motors gemäß der Erfindung in Beziehung zu der Länge der Magneten 18. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind acht Magneten 18 Ende-an-Ende um den Umfang des Rotors 2 angeordnet, so daß jeder Magnet 18 eine Länge aufweist, die 45º des Umfangs des Rotors 2 entspricht. Eine hiervon verschiedene Anzahl von Magneten könnte jedoch in gleicher Weise verwendet werden. Beispielsweise könnten sechs Magnete, Ende-an-Ende um den Umfang des Rotors angeordnet und die Form eines Sechsecks andeutend, verwendet werden. In solch einem Ausführungsbeispiel hätte jeder Magnet 18 eine Länge, die 60º des Umfangs des Rotors 2 entspricht. Die Leistung solch einer Vorrichtung würde dementsprechend gegenüber einer Vorrichtung mit acht Magneten ansteigen.

In der Fig. 5 ist zu erkennen, daß jede trapezoide Seite des trapezoidförmigen Prismas ein Pol des Magneten 18 ist. Fig. 5 zeigt, daß der obere Abschnitt des Magneten der Nordpol ist. Der Buchstabe N wird entlang der Länge der Ansicht der Fig. 5 wiederholt, um anzuzeigen, daß der obere Abschnitt in seiner Gesamtheit der Nordpol ist. In gleicher Weise ist der untere Abschnitt der Ansicht der Fig. 5 der Südpol. Da die Fig. 4 eine Draufsicht und die Fig. 5 eine Seitenansicht des Magneten 18 ist, wird deutlich, daß die Ansicht der Fig. 4 eine Frontalansicht des Nordpols ist. Gemäß der Erfindung werden die Magneten 18 so in die Schlitze 16 eingeführt, daß die nach außen gerichtete Fläche jedes gegebenen Magneten in ihrer Gesamtheit ein Pol des Magneten ist. Die nach innen gerichtete Fläche ist der andere Pol des Magneten.

Fig. 6 zeigt einen Abschnitt des Rotors 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in teilweise auseinandergezogener Darstellung. Ein Permanentmagnet 18, im wesentlichen ähnlich zu dem der Fig. 4 und 5, ist mit einem Tablett 20 verbunden. Das Tablett 20 weist Befestigungselemente 22 auf, um das Tablett 20 lösbar an dem Rotor 2 zu befestigen. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind die Befestigungselemente 22 Schrauben. Ein Schlitz 16 ist bereitgestellt, um den Magnet 18, der sich innerhalb des Tabletts 20 befindet, aufzunehmen. Der Schlitz 16 kann jedoch weggelassen werden, wenn ein bündig angeordnetes Tablett verwendet wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Befestigungselemente 22 durch Löcher in Laschen 24 an dem Tablett 20 in Löcher 26 in dem Rotor 2 eingeführt. Die Löcher 26 können Schraubengewinde aufweisen. Demgemäß kann ein mit einem Tablett verbundener Magnet schnell und leicht entfernt oder ersetzt werden.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 2 wird bemerkt werden, daß in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Magneten 18 in die Schlitze des Rotors 2 so eingeführt sind (oder auf andere Weise angebracht sind), daß um den Umfang 14 aufeinanderfolgend wechselnde Pole nach außen gerichtet sind.

Fig. 2 zeigt ebenfalls mehrere Bereiche auf der Oberfläche des Rotors 2, die reflektierendes Material 28 tragen. Das reflektierende Material 28 ist in einem radialen Abstand von der Achse 4 vorzugsweise so angeordnet, daß beim Rotieren des Rotors 2 auf einer gegebenen festen Position relativ zu der Achse 4 wechselnde Bereiche mit reflektierendem Material und Bereiche ohne reflektierendes Material auf dem Rotor 2 der gegebenen Position benachbart sind. Das reflektierende Material 28 kann in Verbindung mit einer lichtempfindlichen Einrichtung verwendet werden, um eine Winkelposition des Rotors 2 zu bestimmen.

Fig. 1 zeigt schematisch eine lichtempfindliche Einrichtung 30, die durch geeignete Tragmittel 32 getragen wird, die an dem Rahmen 6 befestigt sind, wie beispielsweise ein Träger oder ein Arm. Die lichtempfindliche Einrichtung 30 kann eine Fotozelle, Fotodiode, Fototransistor oder andere geeignete elektronische Einrichtung sein. Wenn der Rotor 2 rotiert wird sich ein Ausgangssignal der lichtempfindlichen Einrichtung 30 zwischen zwei verschiedenen Werten verändern, abhängig davon, ob ein Abschnitt des reflektierenden Materials 28 der lichtempfindlichen Einrichtung 30 benachbart ist. Das Ausgangssignal kann dazu verwendet werden, um, wie unten beschrieben, die Polarität des durch die Spulen 10 der Elektromagneten 8 gehenden Stroms zu steuern. Das Ausgangssignal kann ebenfalls für andere geeignete Zwecke verwendet werden, wie beispielsweise zur Bereitstellung eines Eingangssignals für einen Drehzahlmesser.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ist ein schematischer Schaltplan eines Ansteuerungsschaltkreises mit der lichtempfindlichen Einrichtung 30 der Fig. 1 und zusätzlicher Schaltkreise gezeigt, um den Spulen 10 der Elektromagneten 8 einen Ansteuerungsstrom zur Verfügung zu stellen. Die lichtempfindliche Einrichtung 30 ist als Fototransistor dargestellt, der Strom entsprechend der Menge an Licht, die auf ihn auftrifft, leitet. Eine lichtemittierende Diode (LED) 34 ist dem Fototransistor 30 benachbart angebracht. Die LED 34 kann ebenfalls auf den Tragmitteln 32, die in der Fig. 1 gezeigt sind, angebracht sein oder kann auf andere Weise getragen werden. Die LED 34 richtet einen Lichtstrahl gegen die Oberfläche des Rotors 2. Während der Zeitintervalle, in denen das reflektierende Material 28 dem Fototransistor 30 und der LED 34 benachbart ist, wird das Licht auf den Fototransistor 30 reflektiert, und verursacht, daß dieser Strom leitet. Ein Widerstand 36 ist mit einer Energieversorgungsspannung und dem Kollektor des Fototransistors 30 verbunden. Dementsprechend ändert sich die Spannung am Kollektor des Fototransistors 30 zwischen hohen und niedrigen Werten abhängig davon, ob Licht von der LED 34 von einem Abschnitt des reflektierenden Materials 28 reflektiert wird.

Der Kollektor des Transistors 30 ist mit den Eingängen der logischen Gatter 38, 40 verbunden. Das logische Gatter 40 hat einen Ausgang, der mit einem Eingang eines logischen Gatters 42 verbunden ist. Die logischen Gatter 38, 40, 42, sind als NAND-Gatter mit zwei Eingängen dargestellt. Es ist allgemein üblich, ein Gatter mit mehreren Eingängen und invertiertern Ausgang, wie beispielsweise ein NAND-Gatter mit zwei Eingängen, durch Einkoppeln eines Eingangssignals in alle Eingänge des NAND-Gatters als Inverter zu verwenden. Während zahlreiche verschiedene logische Einrichtungen anstelle der logischen Gatter 38, 40, 42 verwendet werden können, ist das Ziel hier, zwei Ausgangssignale bereitzustellen, die dem Kollektor des Fototransistors 30 folgen und die entgegengesetzte logische Zustände aufweisen.

Die Ausgänge der logischen Gatter 38, 42 sind mit Verstärkern verbunden. Jeder Verstärker weist zwei Transistorstufen auf. Der Verstärker, der mit dem Ausgang des logischen Gatters 38 verbunden ist, weist die Transistoren 44 und 46 auf, und der Verstärker, der mit dem Ausgang des logischen Gatters 42 verbunden ist, weist die Transistoren 48 und 50 auf. Die Ausgänge der Verstärker an den Kollektoren der Transistoren 46 und 50 sind über Widerstände jeweils mit den Kathoden von Zenerdioden 52, 54 verbunden. Die Zenerdioden 52, 54 sind so verbunden, daß beim Empfang einer hohen Spannung von den Transistoren 46 oder 50 die Zenerdioden in Sperrichtung vorgespannt sind und daher als Spannungsregler entsprechend ihrer Durchbruchsspannungen in Sperrrichtung wirken. Die Ausgänge der Schaltung der Fig. 7 sind jeweils mit GA und GB bezeichnet. Die an diesen Ausgängen auftretenden Signale ändern sich zwischen Zuständen hoher und niedriger Spannung in Übereinstimmung damit, ob ein Stück reflektierendes Material 28 dem Fototransistor 30 benachbart ist.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der Spulen 10 der Elektromagneten 8. Zusätzliche Ansteuerungsschaltkreise sind gezeigt, die so verbunden sind, um die Spannung GA und GB von der Schaltung der Fig. 7 aufzunehmen. Die Ansteuerungsschaltung versorgt die Spulen 10 mit Strom. Die Richtung des Stroms durch die Spulen 10 wird dadurch festgelegt, welches der Signale GA oder GB hoch ist.

Der Abschnitt der Ansteuerungsschaltung, der in der Fig. 8 gezeigt ist, weist vier Leistungs-MOSFETs (Metalloxid- Halbleiter-Feldeffekttransistoren) 56, 58, 60 und 62 auf. Wie dargestellt ist, sind die Drainanschlüsse der Leistungs- MOSFETs 56 und 60 mit einer Energieversorgung verbunden, die eine geeignete Speisespannung, wie beispielsweise 12, 24 oder 36 Volt, erzeugt, und die Sourceanschlüsse der Leistungs- MOSFETs 58 und 62 sind geerdet. Die Sourceanschlüsse der Leistungs-MOSFETs 56, 60 sind jeweils mit den Drainanschlüssen der Leistungs-MOSFETs 58, 62 verbunden. Der Sourceanschluß des Leistungs-MOSFETs 56 ist ebenfalls mit einem ersten Ende jeder der Spulen 10 verbunden. Die Spulen 10 sind wie gezeigt parallel geschaltet. Schalter, die gemeinsam mit 64 bezeichnet sind, sind zwischen den zweiten Enden jeder der Spulen 10 vorgesehen, so daß eine oder mehrere der Spulen 10 von der Schaltung durch Öffnen des geeignetes Schalters 64 getrennt werden können. Auf diese Weise können bestimmte Spulen normalerweise abgetrennt bleiben, können aber je nach Notwendigkeit verbunden werden, um zusätzliche Leistung zur Verfügung zu stellen. Das zweite Ende der ersten Spule und jeder der nachfolgenden Spulen 10, die über diese Schalter 64 verbunden sind, ist mit dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFETs 60 verbunden.

Wenn reflektierendes Material 28 dem Fototransistor 30 benachbart ist, ist GA auf hohem und GB auf niedrigem Niveau. Dementsprechend fließt ein Strom von dem Drainanschluß zu dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFETs 56, durch die Spulen 10, von dem Drainanschluß zu dem Sourceanschluß des Leistungs- MOSFETs 62 und zur Erde. Zu diesem Zeitpunkt führen die Leistungs-MOSFETs 58, 60 keinen Strom. Wenn ein nichtreflektierender Bereich dem Fototransistor 30 benachbart ist, ist GA auf niedrigem und GB auf hohem Niveau. Dementsprechend fließt ein Strom von der Energieversorgung, von dem Drainanschluß zu dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFETs 60, durch die Spulen 10, von dem Drainanschluß zu dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFETs 58 und zur Erde. In letzterer Situation fließt der Strom in der, dem ersteren Fall entgegengesetzten Richtung durch die Spulen 10. Dementsprechend wird die Polarität der Elektromagneten 8 umgekehrt.

Der Betrieb eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird nun detailliert in bezug auf die Fig. 9, 10 und 11 beschrieben werden. In diesen drei Figuren sind drei Betriebszustände der Vorrichtung in chronologischer Ordnung dargestellt. Der Elektromagnet 8 ist immer in einer stationären Position gezeigt. Die LED 34 und die lichtempfindliche Einrichtung 30 sind ebenfalls schematisch in einer festen Position gezeigt. Der Rotor 2 ist relativ zu diesen stationären Einrichtungen rotierend dargestellt. Die Permanentmagnete rotieren gemeinsam mit dem Rotor 2. In den Fig. 9 bis 11 rotiert der Rotor 2 im Uhrzeigersinn. Dementsprechend kommt die Fig. 9 zeitlich zuerst, Fig. 10 kommt kurz danach und Fig. 11 kommt kurz nach dieser.

In der Fig. 9 trägt der Rotor 2 Magnete, die speziell als 64, 66 und 68 dargestellt sind, an Polen des Elektromagneten 8 vorbei. Die Rotation des Rotors 2 hat ebenfalls ein Stück reflektierendes Material 28, das auf dem Rotor 2 angebracht ist, in den Pfad eines Lichtstrahls, der durch die LED 34 emittiert wird, befördert. Das Licht wird von dem reflektierenden Material 28 reflektiert und trifft auf die lichtempfindliche Einrichtung 30 auf. Entsprechend dem Betrieb der Schaltungen der Fig. 7 und 8 fließt ein Strom durch die Spulen 10 des Elektromagneten 8, so daß ein erster Pol 72 ein Nordpol ist und ein zweiter Pol 74 ein Südpol ist. Wie in der Fig. 9 gezeigt ist, liegt der erste Pol 72 (Nord) links der Mitte des Permanentmagneten 66. Der Nordpol des Permanentmagneten 66 ist nach außen gerichtet und benachbart zu dem Pol 72 des Elektromagneten 8. Dementsprechend tritt eine magnetische Abstoßung zwischen den Magneten 66 und dem Pol 72 auf. Da der Pol 72 links der Mitte liegt, drängt die magnetische Abstoßung zwischen 72 und den Magneten 66 und folglich den Rotor 2 dazu im Uhrzeigersinn zu rotieren. Auch ist der Pol 72 weiter von dem Magneten 64 als von dem Magneten 68 entfernt. Die zwei Magneten weisen Südpole auf, die beide nach außen gerichtet sind. Da der Pol 72 dem Magneten 68 näher als dem Magneten 64 ist, drängt die magnetische Anziehung zwischen dem Pol 72 und dem Magneten 68 den Rotor ebenfalls dazu, im Uhrzeigersinn zu rotieren. Durch eine ähnliche Analyse ist zu erkennen, daß die magnetische Anziehung und Abstoßung, die der Pol 74 des Elektromagneten mit sich bringt, ebenfalls zu einer Rotation im Uhrzeigersinn führt.

Wendet man sich nun der Fig. 10 zu, ist ein kleiner Zeitraum vergangen. Der Magnet 66 ist aufgrund der Rotation im Uhrzeigersinn des Rotors 2 teilweise an dem Pol 74 vorbeigelaufen. Der Lichtstrahl von der LED 34 trifft weiterhin auf das reflektierende Material 28 auf, wodurch Licht auf die lichtempfindliche Einrichtung 30 fällt. Folglich fließt der Strom, der durch die Spule 10 fließt, in derselben Richtung wie zuvor und die Pole 72 und 74 bleiben jeweils Nordpol und Südpol. Zwischen den Polen 74 und dem Magneten 66 tritt eine magnetische Anziehung auf. Da der Pol 74 rechts der Mitte des Magneten 66 liegt, drängt die magnetische Anziehung den Rotor 2 dazu, im Uhrzeigersinn zu rotieren. In gleicher Weise führt die magnetische Anziehung zwischen dem Magneten 68 und dem ersten Pol 72 ebenfalls zu einer Rotation im Uhrzeigersinn.

Wendet man sich nun der Fig. 11 zu, so ist ein weiterer kurzer Zeitraum vergangen. Die Pole 72 und 74 liegen nun jeweils links der Mitte der Magneten 68 und 66. Falls der Strom in der Spule 10 immer noch in derselben Richtung wie zuvor fließen würde, wäre der Pol 72 immer noch ein Nordpol und der Pol 74 wäre immer noch ein Südpol. Da diese Pole links der Mitte der jeweiligen Permanentmagneten liegen, würde die magnetische Anziehung und Abstoßung einen Bremseffekt verursachen oder würde zu einer Rotation im Gegenuhrzeigersinn des Rotors 2 führen.

Gemäß der Erfindung ist der Lichtstrahl der LED 34 jedoch über das Ende des reflektierenden Materials 28 hinausgelaufen. Der Lichtstrahl wird daher nicht länger auf die lichtempfindliche Einrichtung 30 reflektiert. Durch den Betriebsablauf der Schaltungen der Fig. 7 und 8 fließt der Strom nun in der entgegengesetzten Richtung wie zuvor durch die Spule 10. Der Pol 72 ist nun ein Südpol und der Pol 74 ist nun ein Nordpol. In Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung der Fig. 9 und 10 drängt nun die magnetische Abstoßung zwischen dem Südpol 72 und dem Südpol des Magneten 68 den Rotor 2 dazu, im Uhrzeigersinn zu rotieren. In gleicher Weise drängt die magnetische Anziehung zwischen dem Südpol 72 und den Nordpolen der Magneten 66 und 70 den Rotor 2 ebenfalls dazu, im Uhrzeigersinn zu rotieren. Das gleiche gilt für den Pol 74.

Während diese Darstellung den Rotor im Uhrzeigersinn rotierend zeigte, sollte einsichtig sein, daß Vorrichtungen gemäß der Erfindung ausgelegt werden können, daß sie im Gegenuhrzeigersinn rotieren. Für solch eine alternative Vorrichtung würden in geeigneter Weise geänderte Zeichnungen, wie beispielsweise Spiegelbilder der Fig. 9 bis 11, ihren Betrieb verdeutlichen.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann sowohl zur Erzeugung elektrischen Stroms als auch zur Erzeugung mechanischer Beweghungsenergie verwendet werden. In der Fig. 12 ist ein dem der Fig. 2 ähnlicher Rotor 73 dargestellt, der aber weiterhin zusätzliche Magneten 76 aufweist. Die Magnete 76 können im wesentlichen ähnlich zu den Magneten 18 sein und können in gleicher Weise auf dem Rotor 2 angebracht werden. Vorzugsweise sind die Magneten 76 näher an der Achse 4 angeordnet als die Magneten 18. Wie unten beschrieben wird, werden die Magnete 76 zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Da durch die magnetischen Kräfte zwischen den Magneten 18 und den Elektromagneten 10, wie oben beschrieben, ein Drehmoment auf den Rotor 2 aufgebracht wird, erleichtert die Positionierung der Magneten 76 relativ nahe an der Achse 4 die Erzeugung elektrischer Energie.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht des Rotors 73 der Fig. 12 gezeigt. Magneten 18 und Elektromagneten 8, die ähnlich zu denen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sind, sind dargestellt. Um die Zeichnung zu vereinfachen, wurden die Streifen reflektierenden Materials 28 weggelassen, aber es ist einsichtig, daß sie in Konfiguration, die der in der Fig. 12 gezeigten im wesentlichen ähnlich sind, vorhanden sind. Die Magneten 76 bilden ebenfalls eine Ende-an- Ende Folge, die um die Achse 4 läuft, wie in der Fig. 12 gezeigt ist.

Es ist ebenfalls einsichtig, daß Magneten 18 und 76, Streifen reflektierenden Materials 28, Elektromagneten 8 und andere Komponenten, die auf oder benachbart der sichtbaren Seite des Rotors 73 in den Fig. 12 und 13 liegen, ebenfalls auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors 73 vorhanden sein können, auch wenn diese Seite in den Fig. 12 und 13 nicht zu sehen ist. Wenn der Rotor 73 unter dem Einfluß der magnetischen Anziehung und Abstoßung zwischen den Elektromagneten 8 und den Permanentmagneten 18 rotiert, rotieren die Magneten 76 ebenfalls. Um elektrische Energie zu erzeugen, ist eine Vielzahl von Spulen 78 bereitgestellt, die in schematischer Darstellung gezeigt sind. Die Spulen 78 sind durch geeignete Mittel befestigt, um den Magneten 76 benachbart positioniert zu werden. Wenn die Magneten 76 gemeinsam mit dem Rotor 73 rotieren, wird daher nach dem Faradyischen Gesetz ein elektrischer Strom in den Spulen 78 induziert. Sechs Magneten 76 und vier Spulen 78 sind auf der Seite des Rotors 73, die in der Fig. 12 sichtbar ist, gezeigt. Es ist jedoch einsichtig, daß Magneten 76 und Spulen 78 ebenfalls auf der anderen Seite des Rotors 73 angeordnet sein können. Ebenso kann sich die Anzahl und Konfiguration der Magneten 76 und der Spulen 78 in Übereinstimmung mit dem Gedanken und dem Rahmen der Erfindung ändem. Die Spulen 78 können jede geeignete Struktur aufweisen, um mit einem sich bewegenden magnetischen Feld einen Strom zu induzieren. Beispielsweise können die Spulen 78 eine Struktur aufweisen, die ähnlich der der Elektromagneten 8 ist.

Zusammengefaßt ist das reflektierende Material 28 in Übereinstimmung mit der Erfindung auf dem Rotor 2 so positioniert, daß das Reflektieren oder Nichtreflektieren des Lichtstrahls von der LED 34 einen Stromfluß durch die Spulen 10 dergestalt verursacht, daß eine Rotation im Uhrzeigersinn des Rotors in einer gewünschten Richtung verursacht wird. Es ist dem Fachmann einsichtig, daß die genaue Anzahl und genauen Abmessungen der Permanentmagneten, die exakten Abmessungen der Elektromagneten 8, die Position der LED 34 und der lichtempfindlichen Einrichtung 30 und die Anordnung des reflektierenden Materials 28 auf dem Rotor 2 sich ändern können, ohne den Gedanken und den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Es ist einsichtig, daß diese Permutationen dieser Parameter, die in der Kombination als Endergebnis ein Netzwerk ergeben, bei dem Winkelpositionen des Rotors 2 vorherrschen, in denen der Rotor in eine gewünschte Richtung gedrängt wird, innerhalb der Grenzen der Erfindung liegen.

Beispielsweise ist es in alternativen Ausführungsbeispielen möglich, daß der Winkelabstand zwischen den Polen 72 und 74 eines typischen U-förmigen Elektromagneten nicht exakt den Winkelabmessungen eines der Permanentrnagneten auf dem Rotor 2 entspricht. In solch einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Pol 72 des Elektromagneten beispielsweise exakt auf einem Magneten, wie beispielsweise dem Magneten 66, zentriert sein, während der Pol 74 aufgrund verschiedener Abmessungen rechts oder links der Mitte des benachbarten Magneten, wie beispielsweise 64, liegt. In solch einer Situation kann eine Analyse zeigen, daß für bestimmte Bereiche der Winkelverschiebung des Rotors 2 eine gegebene Polarität des Elektromagneten 8 den Rotor dazu drängt, in einer Richtung zu rotieren, während andere Bereiche der Winkelverschiebung den Rotor dazu drängen, in der entgegengesetzten Richtung zu rotieren. Aus Vorstehendem ist einsichtig, daß alternative Anordnungen, wie beispielsweise eine alternative Plazierung des reflektierenden Materials 28, der LED 34 und der lichtempfindlichen Einrichtung 30 usw., möglich sind, um das gewünschte Ergebnis eines Netzwerks zu erzielen, bei dem Winkelpositionen des Rotors 2 vorherrschen, in denen der Rotor 2 in eine gewünschte Richtung gedrängt wird. Als weiteres alternatives Ausführungsbeispiel können zwei LEDs 34 und lichtempfindliche Einrichtungen 30 vorgesehen sein, die beispielsweise auf konzentrischen Abschnitten des Rotors 2 angeordnet sind. In solch einem alternativen Ausführungsbeispiel können Stücke reflektierenden Materials 28 auf den verschiedenen konzentrischen Abschnitten des Rotors 2 in verschiedenen Winkelpositionen positioniert werden. Solch ein Ausführungsbeispiel kann so betrieben werden, daß der Strom durch die Spule 10 für einen Teil der Zeit in einer Richtung fließt, für einen Teil der Zeit in eine zweite Richtung fließt und für einen Teil der Zeit überhaupt nicht fließt. Das Ausführungsbeispiel kann dazu verwendet werden, um vorhersehbare Schwankungen der Abmessungen des Elektromagneten 8 und der Permanentmagneten auszugleichen.

Das System gemäß der Erfindung, wie oben beschrieben, ist in der Lage, eine hohe Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 2 in der Größenordnung von 10 000 Umdrehungen pro Minute (U/rnin) zu erzielen. Geschwindigkeiten von ungefähr 10 000 U/min und über 20 000 U/min wurden in Vorrichtungen entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzielt. Die Vorrichtung würde ein "closed loop"-System sein, dadurch, daß Veränderungen des Stromflusses durch die Spule 10, um Veränderungen der Polarität des Elektromagneten 8 zu erzielen, sich aus der Winkelverschiebung des Rotors 2 ergeben. Während eines Zeitintervalls, in dem die lichtempfindliche Einrichtung 30 Licht empfängt oder kein Licht empfängt, wird ein Strom fortlaufend durch die Spulen 10 fließen. Die Richtung des Flusses hängt davon ab, ob die Einrichtung 30 das Licht empfängt. Während Zeitintervallen in denen der Lichtstrahl der LED 34 von einem Bereich reflektierenden Materials 28 in einen Bereich übergeht, in dem kein solches Material vorhanden ist, oder umgekehrt, finden Übergänge statt, bei denen der Stromfluß durch die Spule 10 vorübergehend gestoppt wird. Je höher die Geschwindigkeit ist, mit der der Rotor 2 rotiert, desto häufiger treten solche Zeitintervalle auf. Demgemäß tendiert die Leistungsaufnahme des gesamten Systems mit wachsender Drehgeschwindigkeit des Rotors 2 nach unten.

Auch wenn die Erfindung detailliert beschrieben und dargestellt wurde, ist einsichtig, daß dies zum Zweck der Darstellung und beispielhaft erfolgt und nicht als Beschränkung anzusehen ist. Der Rahmen der vorliegenden Erfindung ist nur durch den Inhalt der beiliegenden Ansprüche beschränkt.


Anspruch[de]

1. Elektromagnetischer Motor, der folgendes aufweist:

Einen Rotor (2), der für eine Rotation um eine Achse (4) angebracht ist;

eine Vielzahl von im allgemeinen länglichen Permanentmagneten (18), die auf dem Rotor (2) in einer End zu End Anordnung angebracht sind, um so eine im allgemeinen polygonale Verteilung der Permanentmagneten um die Achse (4) zu bilden, wobei eine erste längliche Außenfläche jedes Permanentmagneten die Polarität eines magnetischen Nordpols aufweist und eine zweite längliche Außenfläche jedes Permanentmagneten die Polarität eines magnetischen Südpols aufweist, und wobei innerhalb der im allgemeinen polygonalen Verteilung der Magneten der Vielzahl, wechselnde Permanentmagnete ihre ersten Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Nordpols von dem Rotor aus nach außen gerichtet angeordnet haben und wechselnde andere Permanentmagnete, die zwischen den wechselnden Permanentmagneten angeordnet sind, ihre zweiten Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Südpols von dem Rotor aus nach außen gerichtet angeordnet haben, so daß beim Fortschreiten um die im allgemeinen polygonale Verteilung der Vielzahl von Permanentmagneten, man nacheinander auf eine wechselnde Verteilung von Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Nordpols und Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Südpols der Vielzahl der im allgemeinen länglichen Permanentmagneten trifft;

eine Vielzahl von Elektromagneten (8), die in bezug auf den Rotor (2) so angebracht sind, daß wenigstens ein Pol (72, 74) eines jeweiligen Elektromagneten angrenzend an die im allgemeinen polygonale Verteilung der Vielzahl von im allgemeinen länglichen Permanentmagneten (18) angeordnet ist, die auf dem Rotor (2) angebracht sind;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Elektromagneten (8) so angeordnet ist, daß beim Rotieren des Rotors (2) um die Achse (4) die magnetische Polarität des Pols (72, 74), immer wenn ein jeweiliger (64, 66, 68, 70) Permanentmagnet (18) neben einem Pol (72, 74) eines jeweiligen Elektromagneten zu liegen kommt, entgegengesetzt der Polarität des neben ihm liegenden Permanentmagneten (18) ist, und nur dieser Pol des jeweiligen Elektromagneten während des gesamten Wegs des Permanentmagneten vorbei an dem Pol des jeweiligen Elektromagneten neben dein jeweiligen Permanentmagnet (18) liegt, und wobei, wenn der Mittelpunkt des jeweiligen Permanentmagneten an dem Pol des jeweiligen Elektromagneten vorbeiläuft, die magnetische Polarität des jeweiligen Elektromagneten zu einer entgegengesetzten Polarität verändert wird, wobei die entgegengesetzte Polarität beibehalten wird, wenn der Pol des jeweiligen Elektromagneten nachfolgend neben einen jeweiligen anderen Permanentmagneten zu liegen kommt, dessen nach außen gerichtete längliche Außenfläche eine magnetische Polarität hat, die entgegengesetzt der magnetischen Polarität einer nach außen gerichteten Außenfläche des jeweiligen Permanentmagneten ist;

und dadurch, daß eine Elektromagneterregerschaltung mit der Vielzahl von Elektromagneten (8) verbunden ist und wirksam ist, der Vielzahl von Elektromagneten regelbar einen Erregerstrom zuzuführen, so daß die Polaritäten der Pole (72, 74), die neben jeweiligen Permanentmagneten (18) liegen, wie zuvor spezifiziert abgewechselt werden, um so eine wechselnde magnetische Anziehung und Abstoßung der danebenliegenden Permanentmagneten zu verursachen und dadurch den Rotor (2) um die Achse (4) anzutreiben.

2. Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 1 und weiter durch eine zweite Vielzahl von im allgemeinen länglichen zweiten Permanentmagneten (18) gekennzeichnet, die auf einer zweiten Seite des im allgemeinen scheibenförmigen Rotors (2) in einer End zu End Anordnung angebracht sind, um so eine im allgemeinen polygonale Verteilung der zweiten Permanentmagneten um die Achse (4) zu bilden, wobei eine erste längliche Außenfläche jedes der zweiten Permanentmagneten die Polarität eines magnetischen Nordpols aufweist und eine zweite längliche Außenfläche jedes der zweiten, im allgemeinen länglichen Permanentmagneten die Polarität eines magnetischen Südpols aufweist und wobei innerhalb der im allgemeinen polygonalen Verteilung der Vielzahl der zweiten Permanentmagneten, wechselnde zweite Permanentmagnete ihre ersten Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Nordpols von der zweiten Seite des im allgemeinen scheibenförmigen Rotors aus nach außen gerichtet angeordnet haben und wechselnde andere zweite Permanentmagnete, die zwischen den wechselnden zweiten Permanentmagneten angeordnet sind, ihre zweiten Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Südpols von der zweiten Seite des im allgemeinen scheibenförmigen Rotors aus nach außen gerichtet angeordnet haben, so daß beim Fortschreiten um die im allgemeinen polygonale Verteilung der Vielzahl von zweiten Permanentmagneten, man nacheinander auf eine wechselnde Verteilung von Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Nordpols und Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Südpols der Vielzahl der im allgemeinen länglichen zweiten Permanentmagneten trifft;

und durch eine zweite Vielzahl von zweiten Elektromagneten (8), die in bezug auf die eine Seite des im allgemeinen scheibenförmigen Rotors (2) so angebracht sind, daß wenigstens ein Pol (72, 74) eines jeweiligen zweiten Elektromagneten angrenzend an die im allgemeinen polygonale Verteilung der zweiten Vielzahl von im allgemeinen länglichen zweiten Permanentmagneten angeordnet ist, die auf der einen Seite des im allgemeinen scheibenförmigen Rotors (2) angebracht sind, und wobei die zweite Vielzahl von im allgemeinen länglichen zweiten Elektromagneten (8) so angeordnet ist, daß beim Rotieren des im allgemeinen scheibenförmigen Rotors um die Achse (4) die magnetische Polarität des Pols (72, 74), immer wenn ein jeweiliger zweiter Permanentmagnet neben einem Pol (72, 74) eines jeweiligen zweiten Elektromagneten zu liegen kommt, entgegengesetzt der magnetischen Polarität des neben ihm liegenden Permanentmagneten (18) ist, und nur dieser Pol des jeweiligen zweiten Elektromagneten während des gesamten Wegs des jeweiligen zweiten Permanentmagneten (18) vorbei an dem Pol des jeweiligen zweiten Elektromagneten neben dem jeweiligen zweiten Permanentmagneten liegt, und wobei, wenn der Mittelpunkt des jeweiligen zweiten Permanentmagneten an dem Pol des jeweiligen zweiten Elektromagneten vorbeiläuft, die magnetische Polarität des jeweiligen zweiten Elektromagneten zu einer entgegengesetzten magnetischen Polarität verändert wird, wobei die magnetische Polarität beibehalten wird, wenn der Pol des jeweiligen zweiten Elektromagneten nachfolgend neben einen jeweiligen anderen zweiten Permanentmagneten zu liegen kommt, dessen nach außen gerichtete längliche Außenfläche eine magnetische Polarität hat, die entgegengesetzt der magnetischen Polarität der nach außen gerichteten Außenfläche des jeweiligen zweiten Permanentmagneten (18) ist.

3. Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 1 oder 2 und weiter durch eine zweite Vielzahl von im allgemeinen länglichen Permanentmagneten (76) gekennzeichnet,

die auf dem Rotor (2) in einer End zu End Anordnung angebracht sind, um so eine im allgemeinen polygonale zweite Verteilung von Permanentmagneten um die Achse (4) zu bilden, wobei die im allgemeinen polygonale zweite Verteilung von Permanentmagneten näher an der Achse (4) des Rotors (2) angeordnet ist, als die im allgemeinen polygonale erste Verteilung von Permanentmagneten (18), wobei eine erste längliche Außenfläche jedes Permanentmagneten (76) der zweiten Vielzahl die Polarität eines magnetischen Nordpols aufweist und eine zweite längliche Außenfläche jedes Permanentmagneten der zweiten Vielzahl die Polarität eines magnetischen Südpols aufweist und wobei innerhalb der im allgemeinen polygonalen zweiten Verteilung von Permanentmagneten, wechselnde Permanentmagnete der zweiten Vielzahl ihre ersten Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Nordpols von dem Rotor (2) aus nach außen gerichtet angeordnet haben und wechselnde andere Permanentmagnete der zweiten Vielzahl, die zwischen den wechselnden Permanentmagneten der zweiten Vielzahl angeordnet sind, ihre zweiten Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Südpols von dem Rotor (2) aus nach außen gerichtet angeordnet haben, so daß beim Fortschreiten um die im allgemeinen polygonale zweite Verteilung von Permanentmagneten, man nacheinander auf eine wechselnde Verteilung von Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Nordpols und Außenflächen mit der Polarität eines magnetischen Südpols der zweiten Vielzahl der im allgemeinen länglichen Permanentmagneten trifft;

und gekennzeichnet durch eine Vielzahl elektromagnetisch ansprechender Spulen, die in bezug auf den Rotor (2) so angebracht sind, daß sie angrenzend an die im allgemeinen polygonale zweite Verteilung der Vielzahl von Permanentmagneten (76) angeordnet sind, die auf dem Rotor (2) angebracht sind, so daß beim Rotieren des Rotors um die Achse (4) der Weg der Permanentmagneten der zweiten Vielzahl vorbei an der Vielzahl der elektromagnetisch ansprechenden Spulen einen Stromfluß in den Spulen induziert, so daß elektrische Energie hiervon abgenommen werden kann.

4. Elektromagnetischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet,

daß ein jeweiliger Elektromagnet (8) einen im allgemeinen U-förmigen Elektromagneten mit ersten und zweiten Polen (72, 74) entgegengesetzter magnetischer Polarität aufweist, wobei die ersten und zweiten Pole räumlich durch einen Abstand getrennt voneinander angeordnet sind, der ähnlich der Teilung zwischen entsprechenden Orten von nachfolgend angrenzenden Permanentmagneten (18) innerhalb der im al]gemeinen polygonalen Verteilung auf dein Rotor (2) ist, so daß die ersten und zweiten Pole (72, 74) des jeweiligen Elektromagneten (8) jeweils neben nachfolgend angrenzenden Permanentmagneten (18) liegen.







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