WO2016046084A1 - Magnetvorrichtung umfassend statoren und translatoren - Google Patents

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Jeremy Hein
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Definitions

  • Magnetic device comprising stators and translators
  • This invention relates to a magnetic device comprising at least one stator and a translator, wherein the stator and the translator each comprise at least one magnet with pole ends and a line of action of the magnet and the translator is linearly movable along a movement axis and / or rotationally about a movement axis in a direction of movement ,
  • a relative movement between stator and translator a force state can be created, which force state is transmitted via the translator to further, not mentioned in the disclosure of the invention elements.
  • the force state can cause a linear or rotary relative movement between the immovably mounted stator and the movably mounted translator, so that the translator can drive other elements.
  • the magnetic device according to the invention can be used as a drive or as a generator.
  • a magnetic drive according to the prior art comprises at least one stator and a translator, wherein the interaction of the magnets is determined by the magnetic flux between the mutually adjacent, associated surfaces of the magnets.
  • WO2013034339 teaches that there is also an interaction between the magnets over all surfaces.
  • the closed geometric shape may be provided by a stator action line, optionally by a stator extension line, a translator action line, and optionally a translator extension line when the stator and translator are movably connected to one another by a hinge.
  • the closed geometric shape is formed by stator action lines, optionally by stator extension lines, a translator action line and, optionally, translator extension lines.
  • the closed geometric shape is optionally formed by, for example, the stator extension line. It is thereby considered the case that the stator action line and the translator extension line have an intersection, so that the closed geometric shape is just formed by the stator action line, the translator extension line and translator action line.
  • the translator extension line can not be part of the closed geometric shape.
  • a line of action of a magnet extends between the pole ends of the magnet in this magnet.
  • the cutting plane comprising the movement axis passes through the magnetic device.
  • the magnetic device according to the invention can extend in one plane.
  • An in-plane magnetic device may be, for example, a two-dimensional magnetic device.
  • the sectional plane through the magnetic device extends in this first case in the plane of the magnetic device according to the invention.
  • the magnetic device according to the invention can also be a three-dimensional body.
  • the sectional plane intersects the magnetic device in the movement axis in this second case and has any orientation to the movement axis.
  • the movement axis may form an axis of symmetry of the magnetic device.
  • a magnet may have a polygonal shape, at the end of which the poles of the magnet are formed.
  • the line of action extends between the poles, with the direction of the line of action at the pole being defined by the tangent.
  • the geometric extension line is defined in the context of this invention as a beam parallel to the tangent, which beam extends away from the magnet.
  • the lines of action are formed so that the lines of action and the extension lines form a closed shape.
  • the sum of the torques, which are formed by the interaction forces F and the spacing of these forces from the axis of motion, can be zero.
  • the translator may have a linear or polygonal axis of motion.
  • the sum of the torques, which are formed by the interaction forces F and the spacing of these forces from the axis of motion, can be zero.
  • the magnetic device of the present invention may include magnetic shielding elements disposed adjacent to the gap resulting between the magnets.
  • Magnetic shielding elements are known in the art. Magnetic shielding elements may be formed, for example, of a ferromagnetic material.
  • the movement axis may be the axis of symmetry of the magnetic device for portions of the magnetic device.
  • the axis of movement may be the mirror axis, and in the case of a three-dimensional magnetic device, the axis of rotation.
  • Figure 1 shows a possible first embodiment of a two-dimensional magnetic device according to the invention comprising a stator and a translator.
  • Figure 2 shows a possible second embodiment of a two-dimensional magnetic device according to the invention, which comprises a stator and two translators.
  • Figure 3 shows a possible third embodiment of the two-dimensional magnetic device according to the invention, which comprises two translators and a stator.
  • Figure 4 and Figure 5 show a possible embodiment of a three-dimensional magnetic device according to the invention comprising two translators and a stator.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show a further possible embodiment of a three-dimensional magnetic device according to the invention.
  • FIG. 8 and FIG. 9 show FEM simulations for FIG. 6.
  • FIG. 1 shows a possible first embodiment of a magnetic device according to the invention.
  • the magnet device comprises a flat stator 1 and a flat-shaped translator 2, wherein the stator 1 and the translator 2 each comprise a magnet 9 with pole ends and a line of action of the magnet.
  • FIG. 1 thus shows a two-dimensional magnetic device, wherein the sectional plane 12 lies in the viewing plane of FIG.
  • Translators 2 to the stator 1 no influence on the subject matter of the invention, namely the training of collimated magnetic fluxes between the magnets 9, has.
  • the movement of the translator 2 can take place linearly parallel to the movement axis and / or rotationally about the movement axis 3.
  • the polarity +/- of the magnets 9 is entered in FIG. 1, which is to be selected according to the conventional teaching, so that a movement of the translator 2 relative to the stator 1 can be caused by the interaction forces F.
  • FIG. 1 In order to be able to perform a movement of the translator 1 in the movement direction 4 entered in FIG. 1 and in a direction of movement opposite thereto (not shown in FIG. 1), the person skilled in the art performs the magnets 9 as electromagnets. The polarity of electromagnets can be switched.
  • the magnets 9 have a polygonal segmental shape.
  • the magnets 9 have substantially the shape of arc segments.
  • the centers 13 of the arc segments are arranged adjacent to each other.
  • the centers 13 of the arc segments are on the movement axis 3, which movement axis 3 also forms the axis of symmetry of the magnetic device.
  • the line of action of the magnets 9 has - with reference to the common teaching - the shape of an arc segment.
  • the Stator Signsline 15 and the Translator Obersline 25 thus has the shape of an arc segment.
  • the arc segment shape of the magnets 9 and the circular segment shape of the lines of action is represented by congruent lines.
  • the geometric extension lines are geometric rays extending from the pole end of the magnet 9 as extension lines of the magnetic lines of action.
  • the stator extension lines 16 of the stator action lines 15 are geometric beams that extend from the pole ends of the stator 1 as geometric tangents to the stator action line 15.
  • the translator extension lines 26 of the translator action lines 25 are geometric rays that extend from the pole ends of the translator 2 as geometric tangents to the translational action line 15.
  • the geometrical stator extensions 16 and translator extensions 26 intersect intersections 10 in a line of intersection.
  • the geometrical stator extensions 16 and translator extensions 26 are parallel and congruent in the embodiment shown in FIG. 1, for which reason a cut line comprising an intersection point 10 is present in the embodiment shown in FIG.
  • the geometric stator extension 16 is oriented in the same way as the stator action line 15 in the end region of the magnet, in accordance with the teachings of geometry. The same applies to the translator action line 25 and the translator extension line 26.
  • the lines of action 15, 25 and the geometric extensions 16,26 form a closed geometric shape regardless of the distance r of the translator to the stator. The magnetic flux between the magnets 9 of the stator 1 and the magnets 9 of the translator 2 are thus bundled.
  • the movement axis 3 experiences no torque load due to the interaction forces F whose line of action are spaced from the movement axis 3.
  • magnetic shielding elements 7 are arranged adjacent to the gap 8 resulting between the magnets.
  • FIG. 2 shows a possible second embodiment of a two-dimensional magnetic device according to the invention.
  • the magnetic device comprises a stator 1 and two translators 2.
  • the translators 2 are movable along the movement axis 3 in the direction of movement 4.
  • the cutting plane 12 encompassing the movement axis 3 extends in the viewing plane of FIG. 2.
  • the cutting plane 12 thus extends through the magnetic device.
  • the lines of action 15, 25 and the geometrical extension lines 16, 26 which are oriented in the same direction to these form a closed geometric shape.
  • the extension lines 16,26 intersect each other in a cutting line comprising an intersection 10; in the embodiment shown in Figure 2, the intersecting extension lines 16,26 are again congruent and parallel.
  • the magnets 9 of the stator 1 are formed as flat rectangles.
  • the magnets 9 of the stator are electromagnets.
  • Figure 2 comprises a schematic representation of the winding 11.
  • the Stator Signsline 15 extends in line with the current teaching linearly in the region of the stator 1.
  • the Statorverinrungslinien 16 in turn extend away from the pole ends of the stator 1 as geometric rays, which also a tangent to form the stator action line 15.
  • the magnets 9 of the translators 2 are formed as flat arc segments, wherein the centers 13 of the arc segments are arranged adjacent to the stators, so that the arc segments form concave surfaces to each other.
  • the centers 13 lie on the movement axis 3.
  • the magnets 9 of the translators 2 are designed as permanent magnets.
  • the Translator Oberslinien 25 are following the usual teaching following in Figure 2 entered as a sheet.
  • the translator extension lines 26 extend as geometric rays which form a tangent to the respective translational action line 25 at a pole end of the translator 2.
  • Statorverinrungslinien 16 and the Translatorverinrungsline 26 are arranged in the gap 8 between the stator 1 and translator 2 congruent and parallel.
  • FIG. 3 shows a possible third embodiment of a two-dimensional magnetic device according to the invention which is similar to the embodiment shown in FIG.
  • the magnetic device in turn comprises a stator 1 and two translators 2.
  • the stator 1 and the translators 2 have a planar design, which is why the embodiment shown in FIG. 3 is a two-dimensional magnetic device.
  • the cutting plane 12 extending through the magnetic device, which also encompasses the movement axis 3, extends in the image plane of FIG. 3.
  • the translators 2 here have a polygonal shape.
  • the effect of the third embodiment is less than that of the second embodiment, since in the third embodiment, the interaction forces F to the movement direction 4 have an angle.
  • the stator 1 is formed as a rectangular magnet 9. Following the common teaching, the stator action line 15 and the stator extension line 16 extend in parallel.
  • the translational action line 25 is drawn congruently with the translator 2 in FIG.
  • the translator extension line 26 is oriented parallel to the translational action line 25 because of the linear shape of the translator action line 25 at the pole end of the translator 2.
  • the extensions 16,26 intersect each other at the intersection 10, so that extensions 16,26 and lines of action 15,25 give a closed shape.
  • the intersecting at the point 10 intersecting extensions 16,26 have an acute angle to each other 14, which acute angle 14 is entered as an example in Figure 3 for clarity.
  • This closed Shape in turn causes the bundling of the magnetic fluxes.
  • the translators 2 are designed as permanent magnets.
  • the stators 1 are designed as electromagnets, wherein in Figure 3, the winding is shown schematically.
  • FIG. 4 is a plan view of a three-dimensional magnetic device; FIG. 5 shows the associated sectional image.
  • the magnet device comprises a stator 1 and two translators 2 arranged laterally relative to the stator 1.
  • the stator 1 comprises-as clearly evident from FIG. 5-two rotary bodies in the form of hollow cylinders with different diameters whose axis of rotation coincides with the axis of movement 3.
  • the translators 2 are formed as a torr, whose axis of rotation also coincides with the axis of movement 3.
  • the translators are movably mounted along the movement axis 3 in the direction of movement 4.
  • the translators 2 are designed as permanent magnets, the stator 1 as an electromagnet. It is shown in Figure 4 schematically the winding of the stator formed as an electromagnet 1; For reasons of clarity, this winding 11 is not entered in FIG. The winding 11 extends substantially between the bodies of rotation of the stator 1. With reference to the current teaching, a movement of the translators 2 relative to the stator 1 by a switching of the stator 1 infrastructureufbar. It is the polarity of the magnets 9 in Figure 4 is not shown for reasons of clarity; the skilled person selects these according to the usual teaching or based on the figures 1 to 3.
  • the lines of action 15,25 and the extension lines 16,26 of the stator 1 and as a translator 2 formed magnets 9, which lines of action 15,25 in a the Motion axis 3 comprehensive sectional plane 11 extend through the magnetic device, form a closed geometric shape.
  • the intersections (reference numeral 10) are not shown in Figure 4 for reasons of clarity.
  • the magnetic flux between the magnets is bundled by this arrangement and design of the magnets.
  • the forces F caused by the magnets 9 cause the translators 2 to move along the axis of movement 3.
  • the sum of the torques formed by the forces F and the spacing of the respective force F from the axis of motion is zero.
  • FIG. 5 shows a sectional plane 12, which is also entered in FIG.
  • the magnetic device according to the invention is characterized in that further cutting planes 11 'can be formed by the three-dimensional magnetic device, wherein in any arbitrary Section plane 11,11 'the lines of action 15,25 and their extension lines 6 form a closed shape.
  • FIG. 6 shows - similar to FIG. 4 - a sectional view through a three-dimensional embodiment of the magnetic device according to the invention.
  • the magnet device comprising a stator 1 and a translator 2 arranged laterally to the stator 1 is shown in FIG.
  • the stator 1 has the shape of a cylinder; the translators 2 have the shape of a torroid.
  • the respective axis of symmetry of the cylinder and the torroids are congruent with the axis of motion.
  • the stator 1 is designed as an electromagnet and the translator 2 as a permanent magnet.
  • the translators 2 have a sickle-shaped shape.
  • the stator 1 is arranged between the laterally arranged translators 2 and is moved along the movement axis 3 in the direction of movement 4.
  • the translator line of action 25 in the cross-sectional sickle-shaped translator 2 extends arcuately and thus similar to the crescent shape of the translator 2 on the basis of the common teaching of a center of the pole end of the crescent-shaped translator 2 to the center of the other pole end of the crescent-shaped translator.
  • the stator action line 15 also extends on the basis of the conventional teaching of a center of the pole end of the stator 1 to the other pole end of the stator 1. Since the stator 1 extends straight in the sectional view, the stator line of action 15 also extends straight.
  • the stator extension line 16 and the translator extension line 26 are congruent so that these extension lines intersect.
  • the area of the inner stator pole ends 17 and the area of the outer stator pole ends 18 are equal. Because of their smaller diameter, the inner stator pole ends 17 have a greater width than the outer stator pole ends 18. For this purpose, the area of the inner translator pole ends 19 and the area of the outer translator pole ends 20 are the same. The width of the outer translator pole ends 20 is smaller than the width of the inner translator pole ends due to the larger diameter of the outer translator pole ends 19. These ratios of the areas and the widths has the effect that a moment of force about the movement axis 3 is prevented.
  • FIG. 8 and FIG. 9 show a FEM simulation of the magnetic device shown in FIG. 6 and FIG. It can be clearly seen the closing magnetic field lines.

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Abstract

Magnetvorrichtung umfassend zumindest einen Stator (1) und einen Translator (2), wobei der Stator (1) und der Translator (2) jeweils zumindest einen Magneten mit Polenden und einer Wirkungslinie des Magneten umfassen und der Translator (2) entlang einer Bewegungsachse (3) in eine Bewegungsrichtung (4) bewegbar ist, wobei jeweils eine Statorwirkungslinie (15) des Stators (1) oder eine Statorverlängerungslinie (16) der Statorwirkungslinie (15), welche sich Statorverlängerungslinie (16) sich als geometrischer Strahl von dem Polende des Stator (1) weg als geometrische Tangente zu der Statorwirkungslinie (5) erstreckt, und eine Translatorwirkungslinie (25) des Translators (2) oder eine Translatorverlängerungslinie (26) der Translatorwirkungslinie (25), welche Translatorverlängerungslinie (26) sich als geometrischer Strahl von dem Polende des Translators (2) weg als geometrischen Tangente zu der Translatorwirkungslinie (25) erstreckt, Schnittpunkte (10) aufweisen und somit die Statorwirkungslinie (15), gegebenenfalls die Statorverlängerungslinie (16), die Translatorwirkungslinie (25) und gegebenenfalls die Translatorverlängerungslinie (26) eine geschlossene geometrische Form bilden, sodass der Magnetfluss zwischen dem Stator (1) und dem Translator (2) gebündelt ist, wobei Wirkungslinien (5) und Verlängerungslinien (6) sich in einer die Bewegungsachse (3) umfassende Schnittebene (11) durch die Magnetvorrichtung erstrecken.

Description

Magnetvorrichtung umfassend Statoren und Translatoren
Diese Erfindung betrifft eine Magnetvorrichtung umfassend zumindest einen Stator und einen Translator, wobei der Stator und der Translator jeweils zumindest einen Magneten mit Polenden und einer Wirkungslinie des Magneten umfassen und der Translator linear entlang einer Bewegungsachse und/oder rotativ um eine Bewegungsachse in eine Bewegungsrichtung bewegbar ist.
In Anlehnung an die gängige Lehre kann bei der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung eine Relativbewegung zwischen Stator und Translator ein Kraftzustand geschaffen werden, welcher Kraftzustand über den Translator auf weitere, im Rahmen der Offenbarung der Erfindung nicht genannte Elemente übertragen wird. Der Kraftzustand kann eine lineare oder rotative Relativbewegung zwischen dem unbeweglich gelagerten Stator und dem beweglich gelagertem Translator hervorrufen, sodass der Translator weitere Elemente antreiben kann.
Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung kann als Antrieb oder als Generator eingesetzt werden.
Ein Magnetantrieb nach dem Stand der Technik umfasst zumindest einen Stator und einen Translator, wobei die Wechselwirkung der Magnete durch den Magnetfluss zwischen den zueinander benachbarten, zugeordneten Flächen der Magnete bestimmt ist. WO2013034339 lehrt, dass auch eine Wechselwirkung zwischen den Magneten über alle Flächen erfolgt.
Aufbauend auf dem Wissen aus WO2013034339 stellt sich der Fachmann die Aufgabe, jene Magnetflüsse, die nicht zwischen den benachbarten, einander zugeordneten Flächen auftreten, zu bündeln, um so den Wirkungsgrad einer Magnetvorrichtung zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass jeweils eine Statorwirkungslinie des Stators oder eine Statorverlängerungslinie der Statorwirkungslinie, welche Statorverlängerungslinie sich als geometrischer Strahl von dem Polende des Stator und vom Stator weg als geometrische Tangente zu der Statorwirkungslinie erstreckt, und eine Translatorwirkungslinie des Translators oder eine Translatorverlängerungslinie der Translatorwirkungslinie, welche Translatorverlängerungslinie sich als geometrischer Strahl von dem Polende des Translators und vom Translator weg als geometrischen Tangente zu der Translatorwirkungslinie erstreckt, Schnittpunkte aufweisen und somit die Statorwirkungslinie, gegebenenfalls die Statorverlängerungslinie, die Translatorwirkungslinie und gegebenenfalls die Translatorverlängerungslinie eine geschlossene geometrische Form bilden, sodass der Magnetfluss zwischen dem Stator und dem Translator gebündelt ist, wobei Wirkungslinien und Verlängerungslinien sich in einer die Bewegungsachse umfassende Schnittebene durch die Magnetvorrichtung erstrecken. Die geschlossene geometrische Form kann durch eine Statorwirkungslinie, gegebenfalls durch eine Statorverlängerungslinie, eine Translatorwirkungslinie und gegebenenfalls eine Translatorverlängerungslinie geschaffen werden, wenn Stator und Translator an einem Punkt durch ein Gelenk zueinander beweglich miteinander verbunden sind. In der Praxis wird die geschlossene geometrische Form durch Statorwirkungslinien, gegebenfalls durch Statorverlängerungslinien, eine Translatorwirkungslinien und gegebenenfalls Translatorverlängerungslinien gebildet.
Obige Lösung umfasst, dass die geschlossene geometrische Form gegebenenfalls durch beispielsweise die Statorverlängerungslinie gebildet wird. Es ist hierdurch der Fall berücksichtigt, dass die Statorwirkungslinie und die Translatorverlängerungslinie einen Schnittpunkt aufweisen, sodass die geschlossene geometrische Form eben nur durch die Statorwirkungslinie, die Translatorverlängerungslinie und Translatorwirkungslinie gebildet wird.
In hierzu analoger Weise kann die Translatorverlängerungslinie nicht Teil der geschlossenen geometrischen Form sein. Nach der gängige Lehre erstreckt sich eine Wirkungslinie eines Magneten zwischen den Polenden des Magneten in diesem Magneten.
Die die Bewegungsachse umfassende Schnittebene verläuft durch die Magnetvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung kann sich in einer Ebene erstrecken. Eine sich in einer Ebene erstreckende Magnetvorrichtung kann beispielsweise eine zweidimensionale Magnetvorrichtung sein. Die Schnittebene durch die Magnetvorrichtung erstreckt sich in diesem ersten Fall in der Ebene der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung kann auch ein dreidimensionaler Körper sein. Die Schnittebene schneidet in diesem zweiten Fall die Magnetvorrichtung in der Bewegungsachse und weist eine beliebige Orientierung zu der Bewegungsachse auf. Die Bewegungsachse kann eine Symmetrieachse der Magnetvorrichtung ausbilden.
Ein Magnet kann eine polygonale Form aufweisen, an dessen Ende die Pole des Magneten ausgebildet sind. Die Wirkungslinie erstreckt sich zwischen den Polen, wobei die Richtung der Wirkungslinie am Pol durch die Tangente definiert ist. Die geometrische Verlängerungslinie ist im Rahmen dieser Erfindung als ein zu der Tangente paralleler Strahl definiert, welcher Strahl sich vom Magneten weg erstreckt. Bei der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung sind die Wirkungslinien so ausgebildet, dass die Wirkungslinien und die Verlängerungslinien eine geschlossene Form bilden.
Im Falle einer Magnetvorrichtung mit einem linear oder rotativ beweglichen Translator kann die Summe der Drehmomente, welche durch die Interaktionskräfte F und die Beabstandung dieser Kräfte von der Bewegungsachse gebildet werden, Null sein.
Der Translator kann eine lineare oder polygonale Bewegungsachse aufweisen. Die Summe der Drehmomente, welche durch die Interaktionskräfte F und die Beabstandung dieser Kräfte von der Bewegungsachse gebildet werden, kann Null sein.
Obige Offenbarung der Erfindung schließt nicht aus, dass anwendungsspezifisch die Summe der Drehmomente ungleich Null sein kann.
In Ergänzung zu den oben beschriebenen Maßnahmen zur Bündelung des Magnetflusses kann die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung Magnetabschirmungselemente umfassen, welche benachbart zu dem sich zwischen den Magneten ergebenden Spalt angeordnet sind.
Magnetabschirmungselemente sind nach dem Stand der Technik bekannt. Magnetabschirmungselemente können beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet sein.
Die Bewegungsachse kann für Teilbereiche der Magnetvorrichtung die Symmetrieachse der Magnetvorrichtung sein. Bei einer zweidimensionalen Magnetvorrichtung kann die Bewegungsachse die Spiegelachse, bei einer dreidimensionalen Magnetvorrichtung die Rotationsachse sein. Figur 1 zeigt eine mögliche erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen zweidimensionalen Magnetvorrichtung umfassend einen Stator und einen Translator.
Figur 2 zeigt eine mögliche zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen zweidimensionalen Magnetvorrichtung, welche einen Stator und zwei Translatoren umfasst.
Figur 3 zeigt eine mögliche dritte Ausführungsform der zweidimensionalen erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung, welche zwei Translatoren und einen Stator umfasst.
Figur 4 und Figur 5 zeigen eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen dreidimensionalen Magnetvorrichtung, welche zwei Translatoren und einenStator umfasst.
Figur 6 und Figur 7 zeigen eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen dreidimensionalen Magnetvorrichtung. Figur 8 und Figur 9 zeigen FEM-Simulationen zu Figur 6.
In den Figuren kennzeichnen die folgenden Bezugszeichen die nachstehenden Elemente: r Anstand Stator Translator
F Interaktionskraft
+/- Polarität
1 Stator
2 Translator
3 Bewegungsachse
4 Bewegungsrichtung
15 Statorwirkungslinie
25 Translatorwirkungsline
16 geometrische Statorverlängerungslinie
26 geometrische Translatorverlängerungslinie
7 Magnetabschirmungselement
8 Spalt
9 Magnete
10 Schnittpunkt
11 Wickelung
12 Schnittebene
13 Zentren
17 inneres Statorpolende
18 äußeres Statorpolende
19 inneres Translatorpolende
20 äußeres Translatorpolende Die Figuren dienen ausschließlich der Verdeutlichung der hier offenbarten Erfindung. Die Figuren sind keinesfalls einschränkend auf den Gegenstand der Erfindung zu interpretieren.
Figur 1 zeigt eine mögliche erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung. Die Magnetvorrichtung umfasst einen flächig ausgebildeten Stator 1 und einen flächig ausgebildeten Translator 2, wobei der Stator 1 und der Translator 2 jeweils einen Magneten 9 mit Polenden und einer Wirkungslinie des Magneten umfassen. Figur 1 zeigt somit eine zweidimensionale Magnetvorrichtung, wobei die Schnittebene 12 in der Betrachtungsebene der Figur 1 liegt.
Es ist in Figur 1 keine Bewegung des Translators 2 zum Stator 1 eingetragen, da die Bewegung des
Translators 2 zum Stator 1 keinen Einfluss auf den Gegenstand der Erfindung, nämlich die Ausbildung von gebündelten Magnetflüssen zwischen den Magneten 9, hat. Die Bewegung des Translators 2 kann linear parallel zu der Bewegungsachse und/oder rotativ um die Bewegungsachse 3 erfolgen.
Es ist in Figur 1 die Polung +/- der Magnete 9 eingetragen, welche nach der gängigen Lehre zu wählen ist, sodass eine Bewegung des Translators 2 relativ zum Stator 1 durch die Interaktionskräfte F hervorgerufen werden kann. Um eine Bewegung des Translators 1 in die in Figur 1 eingetragene Bewegungsrichtung 4 und in eine hierzu entgegengesetzte Bewegungsrichtung (in Figur 1 nicht dargestellt) durchführen zu können, führt der Fachmann die Magnete 9 als Elektromagnete aus. Die Polarität von Elektromagneten ist schaltbar.
Die Magnete 9 weisen bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform eine polygonale Segmentform auf. Die Magnete 9 haben im Wesentlichen die Form von Bogensegmenten. Die Zentren 13 der Bogensegmente sind benachbart zueinander angeordnet. Die Zentren 13 der Bogensegmente sind auf der Bewegungsachse 3, welche Bewegungsachse 3 auch die Symmetrieachse der Magnetvorrichtung bildet.
Die Wirkungslinie der Magnete 9 weist - unter Verweis auf die gängige Lehre - die Form eines Bogensegmentes auf. Die Statorwirkungslinie 15 und die Translatorwirkungslinie 25 weist somit die Form eines Bogensegmentes auf. In Figur 1 ist die Bogensegmentform der Magnete 9 und die Kreissegmentform der Wirkungslinien durch deckungsgleiche Linien dargestellt.
Die geometrischen Verlängerungslinien sind geometrischen Strahlen, welche sich von dem Polende des Magneten 9 als Verlängerungslinien der magnetischen Wirkungslinien erstrecken. Die Statorverlängerungslinien 16 der Statorwirkungslinien 15 sind geometrische Strahlen, die sich von den Polenden des Stators 1 weg als geometrische Tangenten zu der Statorwirkungslinie 15 erstrecken. Ebenso sind die Translatorverlängerungslinien 26 der Translatorwirkungslinien 25 geometrische Strahlen, die sich von den Polenden des Translators 2 als geometrische Tangenten zu der Translatorwirkungslinie 15 erstrecken. Die geometrische Statorverlängerungen 16 und Translatorverlängerungen 26 schneiden in einer Schnittgeraden umfassend Schnittpunkte 10. Die geometrische Statorverlängerungen 16 und Translatorverlängerungen 26 sind bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform parallel und deckungsgleich, weshalb bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform eine Schnittgerade umfassend einen Schnittpunkt 10 vorliegen. Die geometrische Statorverlängerung 16 ist - in Einklang mit der Lehre der Geometrie - gleich orientiert wie die Statorwirkungslinie 15 im Endbereich des Magneten. Gleiches ist für die Translatorwirkungslinie 25 und die Translatorverlängungslinie 26 festzumachen. Die Wirkungslinien 15, 25 und die geometrischen Verlängerungen 16,26 bilden unabhängig von dem Abstand r des Translators zum Stator eine geschlossene geometrische Form. Der Magnetfluss zwischen den Magneten 9 des Stators 1 und den Magneten 9 des Translators 2 sind somit gebündelt.
Die Summe der durch Drehmomente, welche durch die Interaktionskräfte F und die Beabstandung dieser Kräfte von der Bewegungsachse 3 gebildet werden, ist Null. Die Bewegungsachse 3 erfährt keine Drehmomentenbelastung aufgrund der Interaktionskräfte F, deren Wirkungslinie von der Bewegungsachse 3 beabstandet sind.
Zur Verstärkung des Effektes des Bündeins des Magnetstromes zwischen den Magneten 9 sind Magnetabschirmungselemente 7 benachbart zu dem sich zwischen den Magneten ergebenden Spalt 8 angeordnet.
Figur 2 zeigt eine mögliche zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen zweidimensionalen Magnetvorrichtung. Die Magnetvorrichtung umfasst einen Stator 1 und zwei Translatoren 2. Die Translatoren 2 sind entlang der Bewegungsachse 3 in der Bewegungsrichtung 4 bewegbar. Es erstreckt sich somit die die Bewegungsachse 3 umfassende Schnittebene 12 in der Betrachtungsebene der Figur 2. Die Schnittebene 12 verläuft somit durch die Magnetvorrichtung.
Aufbauend auf dem in Figur 2 dargestellten Prinzip kann der Fachmann einem Magnetvorrichtung mit n Statoren 1 und n+1 Translatoren 2, aber auch n Translatoren 1 und n+1 Statoren 2 ableiten.
Die Wirkungslinien 15,25 und die in gleicher Richtung zu diesen orientierten geometrischen Verlängerungslinien 16,26 bilden eine geschlossene geometrische Form. Die Verlängerungslinien 16,26 schneiden einander in einer einen Schnittpunkt 10 umfassenden Schnittgeraden; bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform sind die einander schneidenden Verlängerungslinien 16,26 wiederum deckungsgleich und parallel.
Die Magneten 9 des Stators 1 sind als flächige Rechtecke ausgebildet. Die Magneten 9 des Stators sind Elektromagnete. Figur 2 umfasst eine schematische Darstellung der Wickelung 11. Die Statorwirkungslinie 15 erstreckt sich im Einklang mit der gängigen Lehre linear im Bereich des Stators 1. Die Statorverlängerungslinien 16 erstrecken sich wiederum von den Polenden des Stators 1 weg als geometrische Strahlen, welche auch eine Tangente zu der Statorwirkungslinie 15 bilden.
Die Magneten 9 der Translatoren 2 sind als flächige Bogensegmente ausgebildet, wobei die Zentren 13 der Bogensegmente benachbart zu den Statoren angeordnet sind, sodass die Bogensegmente zueinander konkave Flächen bilden. Die Zentren 13 liegen auf der Bewegungsachse 3. Die Magneten 9 der Translatoren 2 sind als Permanentmagnete ausgebildet. Die Translatorwirkungslinien 25 sind der gängigen Lehre folgend in Figur 2 als Bogen eingetragen. Die Translatorverlängerungslinien 26 erstrecken sich als geometrische Strahlen, welche eine Tangente zu der jeweiligen Translatorwirkungslinie 25 an einem Polende des Translators 2 ausbildet.
Die Statorverlängerungslinien 16 und die Translatorverlängerungslinie 26 sind im Spalt 8 zwischen Stator 1 und Translator 2 deckungsgleich und parallel angeordnet.
Aufgrund dieser Anordnung sind die Magnetflüsse zwischen den Magneten 9 des Stators 1 und der Translatoren 2 gebündelt.
Zur Verstärkung der Bündelung sind Abschirmungselemente 7 benachbart zum Spalt 8 angeordnet.
Ein Versetzen der Magnete 9 der Statoren nach außen, sodass die benachbarten Wirkungslinien 15, 25 und/oder die Verlängerungen 16,26 keinen Schnittpunkt 10 aufweisen, würde eine schlechtere Ausführungsform zu der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung darstellen.
Figur 3 zeigt eine mögliche dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen zweidimensionalen Magnetvorrichtung, welche zu der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ähnlich ist. Die Magnetvorrichtung umfasst wiederum einen Stator 1 und zwei Translatoren 2. Der Stator 1 und die Translatoren 2 sind flächig ausgebildet, weshalb es sich bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform um eine zweidimensionale Magnetvorrichtung handelt. Die durch die Magnetvorrichtung verlaufende Schnittebene 12, welche auch die Bewegungsachse 3 umfasst, erstreckt sich in der Bildebene der Figur 3.
Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform weisen hier die Translatoren 2 eine polygonale Form auf. Die Wirkung der dritten Ausführungsform ist geringer als die der zweiten Ausführungsform, da bei der dritten Ausführungsform die Interaktionskräfte F zu der Bewegungsrichtung 4 einen Winkel aufweisen.
Der Stator 1 ist als rechteckiger Magnet 9 ausgebildet. Der gängigen Lehre folgend verlaufen Statorwirkungslinie 15 und Statorverlängerungslinie 16 parallel. Die Translatorwirkungslinie 25 ist in Figur 3 deckungsgleich mit dem Translator 2 gezeichnet. Die Translatorverlängerungslinie 26 ist wegen der linearen Form der Translatorwirkungslinie 25 am Polende des Translators 2 parallel zu der Translatorwirkungslinie 25 orientiert.
Die Verlängerungen 16,26 schneiden einander im Schnittpunkt 10, sodass Verlängerungen 16,26 und Wirkungslinien 15,25 eine geschlossene Form ergeben. Die sich im Schnittpunkt 10 schneidenden Verlängerungen 16,26 weisen zueinander eines spitzen Winkel 14 auf, welcher spitzer Winkel 14 aus Gründen der Übersichtlichkeit einmal exemplarisch in Figur 3 eingetragen ist. Diese geschlossene Form bewirkt wiederum die Bündelung der Magnetflüsse. Die Translatoren 2 sind als Permanentmagnete ausgebildet. Die Statoren 1 sind als Elektromagnete ausgebildet, wobei in Figur 3 die Wickelung schematisch dargestellt ist.
Figur 4 zeigt einen Grundriss einer dreidimensionalen Magnetvorrichtung; Figur 5 zeigt das dazugehörende Schnittbild.
Die Magnetvorrichtung umfasst einen Stator 1 und zwei zum Stator 1 seitlich angeordnete Translatoren 2. Der Stator 1 umfasst - wie anhand von Figur 5 deutlich erkennbar - zwei Rotationskörper in Form von Hohlzylindern mit unterschiedlichen Durchmessern, deren Rotationsachse mit der Bewegungsachse 3 zusammenfällt. Die Translatoren 2 sind als Torrus ausgebildet, dessen Rotationsachse ebenso mit der Bewegungsachse 3 zusammenfällt. Die Translatoren sind entlang der Bewegungsachse 3 in der Bewegungsrichtung 4 beweglich gelagert.
Die Translatoren 2 sind als Permanentmagnete, der Stator 1 als ein Elektromagnet ausgebildet. Es ist in Figur 4 schematisch die Wickelung des als Elektromagnet ausgebildeten Stators 1 eingetragen; aus Gründen der Übersichtlichkeit ist diese Wickelung 11 in Figur 5 nicht eingetragen. Die Wickelung 11 erstreckt sich im Wesentlichen zwischen den Rotationskörpern des Stators 1. Unter Verweis auf die gängige Lehre ist eine Bewegung der Translatoren 2 relativ zum Stator 1 durch ein Schalten des Stators 1 hervorrufbar. Es ist die Polung der Magnete 9 in Figur 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingetragen; der Fachmann wählt diese nach der gängigen Lehre oder in Anlehnung an die Figuren 1 bis 3. Die Wirkungslinien 15,25 und die Verlängerungslinien 16,26 der als Stator 1 und als Translator 2 ausgebildeten Magnete 9, welche Wirkungslinien 15,25 sich in einer die Bewegungsachse 3 umfassende Schnittebene 11 durch die Magnetvorrichtung erstrecken, bilden eine geschlossene geometrische Form. Die Schnittpunkte (Bezugszeichen 10) sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in Figur 4 eingetragen. Der Magnetfluss zwischen den Magneten ist durch diese Anordnung und Ausbildung der Magnete gebündelt.
Die durch die Magnete 9 hervorgerufenen Kräfte F bewirken eine Bewegung der Translatoren 2 entlang der Bewegungsachse 3. Die Summe der aus den Kräften F und der Beabstandung der jeweiligen Kraft F zu der Bewegungsachse gebildeten Drehmomente ist Null.
Figur 5 zeigte eine Schnittebene 12, welche auch in Figur 4 eingetragen ist. Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass weitere Schnittebenen 11' durch die dreidimensionale Magnetvorrichtung gebildet werden können, wobei in jeder beliebigen Schnittebene 11,11' die Wirkungslinien 15,25 und deren Verlängerungslinien 6 eine geschlossene Form bilden.
Es sind in Figur 4 und Figur 5 der äußere Durchmesser a und der innere Durchmesser b der Magnete 9 eingetragen. Figur 6 zeigt - ähnlich zu Figur 4 - ein Schnittbild durch eine dreidimensionale Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung. Die Magnetvorrichtung umfassend einen Stator 1 und einen seitlich zum Stator 1 angeordnete Translator 2 ist in Figur 7 dargestellt. Der Stator 1 hat die Form eines Zylinders; die Translatoren 2 weisen die Form eines Torroids auf. Die jeweilige Symmetrieachse des Zylinders und der Torroiden sind deckungsgleich mit der Bewegungsachse. Der Stator 1 ist als Elektromagnet und der Translator 2 als Permanentmagnet ausgebildet.
Im Schnittbild Figur 6 weisen die Translatoren 2 eine sichelförmige Form auf. Der Stator 1 ist zwischen den seitlich angeordneten Translatoren 2 angeordnet und wird entlang der Bewegungsachse 3 in Bewegungsrichtung 4 bewegt.
Die Translator-Wirkungslinie 25 in dem im Schnittbild sichelförmigen Translator 2 erstreckt bogenförmig und somit ähnlich zu der sichelförmigen Form des Translators 2 sich in Anlehnung an die gängige Lehre von einem Mittelpunkt des Polendes des sichelförmigen Translators 2 zum Mittelpunkt des anderen Polendes des sichelförmigen Translators 2. Die Stator-Wirkungslinie 15 erstreckt sich ebenso in Anlehnung an die gängige Lehre von einem Mittelpunkt des Polendes des Stators 1 zum anderen Polende des Stators 1. Da sich der Stator 1 im Schnittbild sich gerade erstreckt, erstreckt sich die Stator-Wirkungslinie 15 auch gerade. Die Statorverlängerungslinie 16 und die Translatorverlängerungslinie 26 verlaufen deckungsgleich, sodass sich diese Verlängerungslinien schneiden.
Die Fläche der inneren Stator-Polenden 17 und die Fläche der äußeren Stator-Polenden 18 sind gleich groß. Die inneren Stator-Polenden 17 weisen hierzu wegen ihres kleineren Durchmessers eine größere Breite auf als die äußeren Stator-Polenden 18. Hierzu analog sind die Fläche der inneren Translator-Polenden 19 und die Fläche der äußeren Translator-Polenden 20 gleich groß. Die Breite der äußeren Translator-Polenden 20 ist wegen des größeren Durchmessers der äußeren Translator- Polenden 19 kleiner als die Breite der inneren Translator-Polenden. Diese Verhältnisse der Flächen und der Breiten hat den Effekt, dass ein Kräftemoment um die Bewegungsachse 3 unterbunden ist. Figur 8 und Figur 9 zeigen eine FEM-Simulation der in Figur 6 und Figur 7 gezeigten Magnetvorrichtung. Es sind deutlich die sich schließenden Magnetfeldlinien zu erkennen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Magnetvorrichtung umfassend zumindest einen Stator (1) und einen Translator (2), wobei der Stator (1) und der Translator (2) jeweils zumindest einen Magneten mit Polenden und einer Wirkungslinie des Magneten umfassen und
der Translator (2) linear entlang einer Bewegungsachse (3) und/oder rotativ um eine
Bewegungsachse in eine Bewegungsrichtung (4) bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils eine Statorwirkungslinie (15) des Stators (1) oder eine Statorverlängerungslinie (16) der Statorwirkungslinie (15), welche Statorverlängerungslinie (16) sich als geometrischer Strahl von dem Polende des Stator (1) weg als geometrische Tangente zu der Statorwirkungslinie (5) erstreckt, und eine Translatorwirkungslinie (25) des Translators (2) oder eine Translatorverlängerungslinie (26) der Translatorwirkungslinie (25), welche Translatorverlängerungslinie (26) sich als geometrischer Strahl von dem Polende des Translators (2) weg als geometrische Tangente zu der Translatorwirkungslinie (25) erstreckt,
Schnittpunkte (10) aufweisen und
somit die Statorwirkungslinie (15), gegebenenfalls die Statorverlängerungslinie (16), die
Translatorwirkungslinie (25) und gegebenenfalls die Translatorverlängerungslinie (26) eine geschlossene geometrische Form bilden, sodass der Magnetfluss zwischen dem Stator (1) und dem Translator (2) gebündelt ist,
wobei Wirkungslinien (5) und Verlängerungslinien (6) sich in einer die Bewegungsachse (3) umfassende Schnittebene (11) durch die Magnetvorrichtung erstrecken.
2. Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Statorwirkungslinie (15) oder die Statorverlängerungslinie (16) und die Translatorwirkungslinie (25) oder die Translatorverlängerungslinie (26) im Schnittpunkt (10) einen spitzen Winkel zueinander aufweisen.
3. Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Statorwirkungslinie (15) oder die Statorverlängerungslinie (16) und die Translatorwirkungslinie (25) oder die Translatorverlängerungslinie (26) deckungsgleich angeordnet sind.
4. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Drehmomente, welche durch die Interaktionskräfte F und die Beabstandung dieser Kräfte von der Bewegungsachse (3) gebildet werden, Null ist.
5. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
Magnetabschirmungselemente (7) benachbart zu dem sich zwischen den Magneten ergebenden Spalt (8) angeordnet sind.
6. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsachse (3) die Symmetrieachse der Magnetvorrichtung ist.
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