Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Maschine.

Elektromagnetische Maschinen wandeln elektromagnetische Energie in kinetische Energie um, wenn sie als Elektroantriebe betrieben werden, bzw. wandeln kinetische Energie in elektromagnetische Energie um, wenn sie als Generatoren betrieben werden. Elektromagnetische Maschinen weisen im Vergleich zu Verbrennungskraftmaschinen einen hohen Wirkungsgrad auf. Diesen Vorteil erkauft man sich jedoch durch eine relativ große Masse des Eisenkerns (Dynamoblech, Materialien aus seltenen Erden) und die aufwendigen Lagerungsmaßnahmen des Rotors. Bei derzeitigen Elektroantrieben kann deshalb ab einem gewissen Leistungsbereich nicht mehr auf aktive Flüssigkühlung des Rotors verzichtet werden.

Es besteht daher nach wie vor das Bedürfnis nach elektromagnetischen Maschinen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Maschine ohne die geschilderten Nachteile des Standes der Technik bereitzustellen. Insbesondere sollen die Masse und das Volumen der zu verbauenden Materialien sowie die Hitzeentwicklung im Betrieb gegenüber bekannten Maschinen drastisch reduziert werden.

Die erfmdungsgemäße elektromagnetische Maschine beruht auf einem völlig neuen Prinzip der elektromagnetischen Energieumsetzung, indem als elektromagnetische Erregersignale hochfrequente Signale verwendet werden. Die elektromagnetische Maschine zeichnet sich dadurch unter anderem durch ein lineares Verhalten und eine hohe Stabilität des Frequenzspektrums aus. Dieses führt zu einer wesentlichen Reduktion der Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sowie zu einer wesentlichen Reduktion von akustischen Störgeräuschen im Vergleich zu den bekannten Elektroantrieben. Da die erfmdungsgemäße elektromagnetische Maschine keine Eisenkerne benötigt, wodurch auch die mit Eisenkernen verbundenen Hystereseverluste entfallen, ist der Wirkungsgrad wesentlich höher und die Wärmebildung wird stark reduziert. Bei der erfmdungsgemäßen elektromagnetischen Maschine ist eine Skalierbarkeit der Leistung von einigen W bis in den MW Bereich gegeben. Die erfmdungsgemäße elektromagnetische Maschine zeichnet sich nämlich durch eine progressive Gewichtsabnahme und eine überproportional steigende Leistung sowie ein steigendes „power to weight ratio“, in kW/kg Motorgewicht gemessen, aus, das oberhalb der momentan am Markt befindlichen Systeme liegt. Durch die hochfrequente Energieumsetzung bei der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine entstehen auch keine Vibrationen.

Die erfmdungsgemäße elektromagnetische Maschine umfasst eine erste Erregersignalquelle, die ein erstes elektromagnetisches Erregersignal mit einer ersten Frequenz bereitstellt, eine zweite Erregersignal quelle, die ein zweites elektromagnetisches Erregersignal mit einer zweiten Frequenz bereitstellt, wobei die erste Frequenz und die zweite Frequenz in einem Radiofrequenz -Bereich oder im Mikrowellenbereich liegen und sich voneinander unterscheiden, ein erstes feststehendes Ab strahlelement, das mit der ersten Erregersignal quelle verbunden ist und dem das von der ersten Erregersignalquelle bereitgestellte erste Erregersignal zugeführt wird, ein zweites feststehendes Abstrahlelement, das mit der zweiten Erregersignalquelle verbunden ist und dem das von der zweiten Erregersignalquelle bereitgestellte zweite Erregersignal zugeführt wird, ein relativ zum ersten Ab Strahlelement und zum zweiten Abstrahlelement jeweils in einem Abstand angeordneter und beweglicher Teil, wodurch zwischen dem beweglichen Teil und den Abstrahlelementen Luftspalte gebildet sind, wobei die Abstände so gewählt sind, dass die Abstrahlelemente die ihnen zugeführten Erregersignale durch die Luftspalte im Nahfeldbetrieb zu dem beweglichen Teil abstrahlen und sich die Erregersignale im beweglichen Teil überlagern, wobei der bewegliche Teil Mischerelemente aufweist, die die Erregersignale empfangen und miteinander mischen, sodass ein Mischsignal mit der Differenzfrequenz aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz gebildet wird, wobei der bewegliche Teil zumindest ein elektrisch leitendes Element aufweist, in das die Mischerelemente das Mischsignal mit der Differenzfrequenz aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz einkoppeln und dadurch eine Lorentz -Kraft induzieren.

Die erfmdungsgemäße elektromagnetische Maschine ist in einem äußerst breiten Frequenzbereich der Erregersignale einsetzbar, der bis zu 300 GHz reicht, wobei für einen einfacheren Aufbau eine maximale Frequenz von 30 GHz bevorzugt ist. Die minimale Frequenz der Erregersignale ist nicht spezifisch eingeschränkt, die Vorteile der Erfindung kommen aber vor allem ab einer Frequenz von 10 kHz, bevorzugt ab 100 kHz zur Geltung. Praktisch muss nicht von einer einzigen Ausführungsform der Erfindung der gesamte Frequenzbereich abgedeckt werden, sondern es werden je nach Ausführungsform nur Teilbereiche davon abgedeckt werden, wie unten noch näher erläutert wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das zumindest eine elektrisch leitende Element des beweglichen Teils als in Bewegungsrichtung des beweglichen Teils angeordnete Schicht aus einem elektrisch leitfähigen, nicht permanentmagnetischen Material ausgebildet. Dabei kann das elektrisch leitfähige, nicht permanentmagnetische Material eine Trägerschicht für die Mischerelemente bilden, wobei die Trägerschicht vorzugsweise scheiben-, ring- oder plattenförmig ausgebildet ist, und wobei vorzugsweise die Mischerelemente zwischen zwei Träger schichten angeordnet sind. Alternativ dazu kann das zumindest eine elektrisch leitende Element auf einem elektrisch nichtleitenden Träger ausgebildet sein, der dem beweglichen Teil die erforderliche Festigkeit verleiht. Bevorzugt ist das elektrisch leitfähige, nicht permanentmagnetische Material aus einem Metall oder einer Metalllegierung, vorzugsweise Stahl, Kupfer oder Aluminium, oder einem organischen Material, vorzugsweise einer Kohlenstoffverbindung, beispielsweise Graphen, ausgewählt.

Es ist bevorzugt, die Abstrahlelemente so auszulegen, dass die Abstrahlung eines Magnetfelds vorherrscht. Weiters ist es für die Wirkung und den Aufbau der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine vorteilhaft, wenn die Erregersignale harmonische Signale, vorzugsweise sinusförmige Signale sind.

Die erfindungsgemäße elektromagnetische Maschine ist sowohl als Motor als auch als Generator betreibbar. Weiters ist sie als Kurzzeit-Energiespeicher betreibbar.

Diese universellen Betriebsarten ermöglichen eine Vielzahl an Anwendungen der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine.

Insbesondere ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen elektromagnetische Maschine als Ersatz für herkömmliche Antriebsstränge (Motor, Getriebe) von Fahrzeugen, Booten und Flugzeugen vorgesehen. Erfindungsgemäß ergibt sich dann ein Antriebs sträng umfassend einen Energiespeicher, die mit dem Energiespeicher verbundene erfindungsgemäße elektromagnetische Maschine, deren beweglicher Teil direkt oder über eine Übersetzung auf ein Antriebselement wirkt.

Insbesondere für Anwendungen der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine, bei denen Erregersignale im GHz -Frequenzbereich zum Einsatz kommen, ist es bevorzugt, wenn die Abstrahlelemente in Hohlraumresonatoren ausgebildet sind. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Hohlraumresonatoren bei Generatorbetrieb der elektromagnetischen Maschine als Kurzzeit-Energiespeicher für elektromagnetische Energie ausgestaltet. Die solcherart in den Hohlraumresonatoren gespeicherte elektromagnetische Energie kann bei Umschalten der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine in den Motorbetrieb zum Antrieb der Vorrichtung verwendet werden, mit der der bewegliche Teil der elektromagnetischen Maschine verbunden ist.

Je höher die Frequenz der Erregersignale ist, desto kleiner können die Hohlraumresonatoren ausgebildet sein. Dies schafft wiederum die Möglichkeit eine größere Zahl von Hohlraumresonatoren an oder um den beweglichen Teil der elektromagnetischen Maschine zu positionieren, um ihn anzutreiben. Bei hinreichend hohen Frequenzen der Erregersignale können die Hohlraumresonatoren so klein ausgeführt sein, dass sie in den Bremssattel von Bremsscheiben von Fahrzeugen integriert werden können.

Insbesondere für Anwendungen der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine, bei denen Erregersignale unterhalb des GHz-Frequenzbereichs, z.B. in einem Frequenzbereich von 30 kHz bis 600 kHz, zum Einsatz kommen, können die Abstrahlelemente als Flachspulen ausgebildet sein.

Die Multiplikation der Erregersignale gestaltet sich einfach, wenn die Mischerelemente nichtlineare Mischerelemente sind. Bevorzugt sind Halbleiterelemente als Mischerelemente, die entweder als diskrete Elemente oder in einem Halbleiter-Wafer, beispielsweise wabenförmig, aufgebaut sind. Besonders bevorzugt sind diese Mischerelemente ausgewählt aus Hochfrequenz-Mischerdioden, insbesondere GaAs-Mischerdioden, oder aus HEMT Elementen oder aus IMP ATT-Di öden. Der Begriff "HEMT" bedeutet "high electron- mobility transistor", als Diode geschaltet. Der Begriff "IMPATT-Diode" bedeutet "impact ionisation avalanche transit time" Diode.

In einer grundsätzlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine ist der bewegliche Teil für eine Drehbewegung ausgebildet und vorzugsweise axial oder radial gelagert. Eine solche Ausführungsform kann erfindungsgemäß für Windkraftanlagen im Generatorbetrieb oder für Wasserspeicherkraftwerke im Generatorbetrieb Verwendung finden. Wenn der bewegliche Teil ringförmig ausgestaltet ist, ist die Verwendung als Antrieb und Generator für Vortex-Impeller vorgesehen, die keine axiale Aufhängung haben, sondern bei denen in der Mitte ein "Loch" ausgebildet ist. Weitere Verwendungszwecke sind Antrieb und regenerative Bremsen im Automobil- und Schienenfahrzeugbereich sowie in der Luftfahrt.

In einer alternativen grundsätzlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine ist der bewegliche Teil für eine Linearbewegung ausgebildet und vorzugsweise linear oder punktuell gelagert. Eine solche Ausführungsform kann erfindungsgemäß für Thrust Vector Control bei Raketen und Düsenflugzeugen Verwendung finden.

Die erfindungsgemäße elektromagnetische Maschine ist in einer Ausführungsform als Einphasensystem ausgebildet, bei dem das erste Abstrahlelement und das zweite Abstrahlelement einander gegenüberliegend angeordnet sind und der bewegliche Teil zwischen dem ersten Abstrahlelement und dem zweiten Ab strahl elem ent angeordnet ist.

Alternativ dazu ist die Ausbildung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine als Mehrphasensystem vorgesehen, wobei zusätzlich zum ersten Abstrahlelement und zweiten Abstrahl element zumindest ein weiteres Abstrahl element vorgesehen ist, und jedem Abstrahlelement in einem zyklischen Muster abwechselnd Erregersignale mit zwei verschiedenen Frequenzen zuführbar sind, wobei das zyklische Muster so ausgebildet ist, dass zu einem jeden Zeitpunkt zumindest einem Abstrahl element ein Erregersignal mit der ersten Frequenz zugeführt wird und zumindest einem anderen Abstrahlelement ein Erregersignal mit der zweiten Frequenz zugeführt wird, wobei die Abstrahlelemente geometrisch entlang des Bewegungspfads des beweglichen Teils gegeneinander versetzt sind. In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Erregersignale zueinander phasenversetzt.

Bevorzugt sind die Abstrahlelemente abwechselnd einander gegenüberliegend angeordnet und der bewegliche Teil ist zwischen den gegenüberliegenden Abstrahlelementen angeordnet. Alternativ dazu sieht die Erfindung aber auch die Anordnung aller Abstrahlelemente auf einer Seite des beweglichen Teils vor.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein lineares zeitinvariantes (LTI) System in der Laplace Domäne;

Fig. 2 ein lineares zeitinvariantes System mit einer vorgeschalteten Multiplikationsstufe für harmonische Eingangssignale in der komplexen Domäne; Fig. 3 ein Diagramm der Leistungsspektral dichte PSD über der Frequenz f bei Multiplikation zweier harmonischer Eingangs Signale und Tiefpassfilterung der Ausgangssignale;

Fig. 4 den Poynting Vektor S im Nahfeld im Fall einer Ohm'schen Last;

Fig. 5 den Poynting Vektor S im Nahfeld im Fall von Leerlauf und nicht-ohmschen Lasten; Fig. 6 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine;

Fig. 7 die Signalmischung mittels Mischerdioden auf einem Wafer;

Fig. 8 eine schematische Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine als Einphasensystem;

Fig. 9 eine weitere schematische Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine als Dreiphasensystem;

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine;

Fig. 11 ein Zeitdiagramm der Zuführung der hochfrequenten Erregersignale zu den Abstrahlelementen einer Dreiphasen-Ausführung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine; und

Fig. 12 einen Vorschlag für die Befestigung einer erfindungsgemäßen dreiphasigen elektromagnetischen Maschine an einem Fahrzeugteil.

Zur Erklärung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine kann man von einem linearen zeitinvarianten (LTI) System, z.B. einem elektrischen Verstärker, ausgehen. Ein System heißt dann linear, wenn jede Summe von beliebig vielen Eingangssignalen zu einer dazu proportionalen Summe von Ausgangssignalen führt. Es gilt daher das Superpositionsprinzip. Ein System ist zeitinvariant, wenn sich für jede Zeitverschiebung des Eingangssignals die gleiche Zeitverschiebung des Ausgangssignals des Systems ergibt. Zeitinvariante Systeme reagieren also unabhängig vom Startzeitpunkt der Anregung auf gleiche Eingangs Signale mit gleichen Ausgangssignalen. Bezogen auf das Erklärungsmodell des elektrischen Verstärkers, ausgeführt als verstärkungsgeregelter Verstärker (gain controlled amplifier), ist ein solches System in Fig. 1 in der Laplace Domäne dargestellt, mit:

H(s) Übertragungsfunktion h(t) Impulsantwort in der Zeitdomäne u(s) Eingangs- bzw. Anregungssignal in der Laplace Domäne y(s) Ausgangssignal in der Laplace Domäne c Verstärkungsregelsignal

Wenn man das Verstärkungsregel signal c als ein weiteres Eingangssignal c = c(s) behandelt, so ergibt sich als Signalausgang:

Im (hier zutreffenden) Spezialfall einer harmonischen Anregung kann man aus der Laplace Domäne in die komplexe Domäne wechseln, d.h. s →j ω.

Schließt man den allgemeinen Eingang u und den Verstärkungsregel eingang c an harmonische Wellengeneratoren, z.B. Sinuswellengeneratoren an, so ergibt sich:

Superposition auf LTI- Systeme angewandt führt zu der in Fig. 2 dargestellten Systemstruktur mit einer Multiplikationsstufe M.

Die Multiplikation zweier Signale ist mathematisch gesehen eine nichtlineare Operation und wird in der Literatur auch als Mischen von Signalen bezeichnet. Zur physikalischen Realisierung der Multiplikation zweier Signale werden somit Multiplikatoren bzw. Mischerelemente benötigt, die beispielsweise auf Materialien mit intrinsischen nichtlinearen Eigenschaften basieren. Beim multiplikativen Mischen zweier Signale, z.B. RF (Radio Frequency) Signale oder Mikrowellen, mit den Frequenzen f1 bzw. f2 entsteht ein erstes Mischsignal mit der Frequenz f1 + f1 und ein zweites Mischsignal mit der Frequenz f1 - f2. Wird das Ausgangssignal des Mischers mit einem Tiefpassfilter gefiltert, dessen Grenzfrequenz unter den Frequenzen f1 und f2 liegt, so erhält man als resultierendes Ausgangssignal nur das zweite Mischsignal mit der Frequenz f1-f2, wie im Diagramm von Fig. 3 schematisch dargestellt ist, das die Leistungsspektraldichte PSD über der Frequenz f zeigt. Dabei sind die Signale mit den Frequenzen f1, f2 und f1+f2 strichliert dargestellt, weil sie vom Tiefpassfilter LP ausgefiltert werden, und das resultierende Mischsignal mit der Frequenz f1-f2 ist mit einer vollen Linie dargestellt. Dieses resultierende Mischsignal f1-f2 wird erfindungsgemäß zur Erzeugung eines Antriebsmoments der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine verwendet. Erfmdungsgemäß ist vorgesehen, für die Übertragung der hochfrequenten Erregersignale, insbesondere im RF -Bereich bis in den GHz Bereich (Mikrowellen), von einem feststehenden Teil (Stator) der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine zu einem beweglichen Teil (Linearbewegung, Rotation) die Energieübertragung durch Abstrahlung zu nutzen. Aufgrund des sehr geringen Abstands, d.h. eines sehr kleinen Luftspalts, zwischen dem feststehenden Teil und dem beweglichen Teil der elektromagnetischen Maschine relativ zur Wellenlänge λ der Erregersignale findet diese Abstrahlung im Nahfeld statt. Man kann also den feststehenden Teil, von dem die Erregersignale abgestrahlt werden, als im Nahfeld betriebene Sendeantenne ansehen. Der Begriff Nahfeld bezeichnet im engen Sinn das reaktive Nahfeld, das ist der Bereich in unmittelbarer Nähe zur Antenne. Daran schließt sich das Übergangsfeld (auch als Fresnel-Region oder strahlendes Nahfeld bezeichnet) an, das in der Literatur manchmal auch dem Nahfeld im weiteren Sinn zugeordnet wird. An das Übergangsfeld schließt sich das Femfeld an. Die Begriffe Nahfeld, Übergangsfeld und Fernfeld sind in der Literatur nicht einheitlich definiert und werden zum Teil auch in Abhängigkeit davon definiert, ob es sich um lange Antennen oder kurze Antennen handelt. Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird das Nahfeld als der Bereich zwischen der Antenne und einem Abstand d = λ / 2π angesehen. Die Eigenschaften einer elektromagnetischen Welle werden im Nahfeld mit dem Abstand d durch Polynome d ^-n hoher Ordnung n beschrieben. Im Fernfeld, bei großem Abstand von der Antenne, kann die Beschreibung auf den Term erster Ordnung 1/d reduziert werden, der alle anderen Terme dominiert. Zur Beschreibung des Übergangsfelds kann man sich auf die Polynome erster (1/d) und zweiter (d ^-2 ) Ordnung beschränken, da die Polynome höherer Ordnung einen vergleichsweise sehr geringen Beitrag liefern.

Das Nahfeld einer Antenne zeichnet sich prinzipiell dadurch aus, dass keine Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen erfolgt, sondern zwischen der Antenne und der Umgebung im Nahfeld lediglich Blindleistung pendelt und die Energie gespeichert wird. Anders gesagt, ist das vektorielle Produkt zwischen der elektrischen Feldstärke E und der magnetischen Feldstärke H gleich null. Energie kann jedoch im Nahfeld mittels induktiver oder kapazitiver Kopplung übertragen werden und genau diesen Effekt benutzt die vorliegende Erfindung, um trotz der vorherrschenden Nahfeldverhältnisse eine Energieübertragung auf den bewegten Teil der elektromagnetischen Maschine zu bewerkstelligen. Die Energieübertragung erfolgt bei induktiv gekoppelten Systemen im Nahfeld fast ausschließlich durch das H-Feld, welches stromdurchflossene Leiter umgibt, und Spannungen und Ströme in benachbarten Leitern induziert. Die freie Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle ist im Nahfeld einer Antenne noch nicht gegeben, und das E- Feld ist im Vergleich zum H-Feld sehr schwach. Hinzu kommt eine Phasenverschiebung zwischen der elektrischen Feldstärke E und der magnetischen Feldstärke H, sodass sich eine komplexe Wellenimpedanz ausbildet und durch die elektromagnetische Welle größtenteils Blindleistung übertragen wird.

Die Verhältnisse der Feldstärke im Nahfeld hängen davon ab, ob es sich um primär elektrische oder primär magnetische Antennen handelt. Eine elektrische Antenne erzeugt im Nahfeld eine hohe elektrische Feldstärke E, die in guter Näherung in dritter Potenz (-60 dB/Dekade) mit der Entfernung abnimmt. Die schwächere magnetische Feldstärke nimmt im Nahfeld quadratisch (-40 dB/Dekade) mit der Entfernung ab. Eine magnetische Antenne erzeugt im Nahfeld eine hohe magnetische Feldstärke, die in guter Näherung in dritter Potenz (-60 dB/Dekade) mit der Entfernung abnimmt. Die dabei schwächere elektrische Feldstärke nimmt quadratisch (-40 dB/Dekade) mit der Entfernung ab. Im Fernfeld nehmen bei freier Wellenausbreitung sowohl die magnetische Feldstärke H als auch die elektrische Feldstärke E mit der Entfernung (-20 dB/Dekade) ab.

Man kann gemäß der Friis-Übertragungsgleichung die an einer Empfangsantenne RX empfangene Leistung P(RX) als Funktion einer Sendeantenne TX ausdrücken, wobei diese Gleichung auch den Antennengewinn der Empfangs- und der Sendeantenne berücksichtigt. Aus der empfangenen Leistung P _(RX) lassen sich die Werte für die elektrische Feldstärke E und die magnetische Feldstärke H ableiten. Man erhält im Nahfeld die folgenden Gleichungen für das elektrische Feld: und das magnetische Feld: mit k ... Wellenzahl, wobei gilt: k = 2 / l ... Wellenlänge d ... Abstand zwischen Sendeantenne TX und Empfangsantenne RX

Wie sich aus den obigen Formeln ergibt, ist im Nahfeld der anfängliche Antennengewinn sowohl für die elektrische Feldstärke E als auch die magnetische Feldstärke H höher als im Fernfeld. Im Folgenden werden die Zusammenhänge zwischen der elektrischen Feldstärke E, der magnetischen Feldstärke H und der Leistung anhand des Poynting Vektor näher erläutert. Der Poynting Vektor S zeigt in die Raumrichtung des Energieflusses. Er berechnet sich als das Kreuzprodukt aus elektrischer Feldstärke E und magnetischer Feldstärke H:

S = E x H

Im Fall eines quasistationären Feldes lautet die Poynting Gleichung in komplexer Ausdrucksweise:

Unter Anwendung der Maxwell Gleichungen für den quasi stationären Fall und das Gauß ^' sehe Integral erhält man: wobei S der Poynting Vektor bzw. die komplexe Leistung ist, die durch die Grenze G hindurchtritt und in den Raum W eintritt.

Im Nahfeld spannen die Vektoren des elektrischen und magnetischen Felds keine Fläche auf und der Poynting Vektor S bleibt null:

Das heißt, dass der Raum nicht energiedurchflutet wird. Dieses Phänomen führt zu einer elektrischen oder magnetischen Kopplung, die mit Kondensatoren oder Spulen realisiert werden kann. Wenn jedoch eine Leistungsübertragung stattfinden soll, muss das Fließen eines elektrischen Stroms im Fall einer kapazitiven (d.h. elektrischen) Kopplung bzw. eine Spannungsinduktion im Fall einer induktiven (d.h. magnetischen) Kopplung stattfmden. Dadurch werden der elektrische Feldvektor E bzw. der magnetische Feldvektor H solcherart umgelenkt, dass sie eine Fläche aufspannen, die den Poynting Vektor in einen Wert ungleich null transformiert. Fig. 4 zeigt den resultierenden Poynting Vektor S im Fall einer Ohm'schen Last, und Fig. 5 zeigt das Verhalten des Poynting Vektors S im Fall von Leerlauf und nicht-ohmschen Lasten.

Als nächstes wird erläutert, wie durch die Übertragung der Erregersignale durch Abstrahlung auf den bewegten Teil der elektromagnetischen Maschine die Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie des bewegten Teils der elektromagnetischen Maschine erzielt wird.

Gemäß den oben erhaltenen Resultaten aus den Nahfeld-Berechnungen lässt sich ein physikalisches Verhalten der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine erkennen, das im Wesentlichen mit dem eines gewöhnlichen Transformators übereinstimmt. Der wesentliche Unterschied zu einem gewöhnlichen Transformator liegt jedoch darin, dass es nicht notwendig ist, das Magnetfeld durch schwere und großvolumige Eisenkerne zu leiten. Stattdessen wird gemäß der vorliegenden Erfindung elegant von der im Wesentlichen verlustfreien Abstrahlung des magnetischen Felds im hochfrequenten Bereich Gebrauch gemacht. Aufgrund der Energieübertragung durch abgestrahlte Leistung im Nahfeld kann der Luftspalt zwischen dem feststehenden und dem bewegten Teil der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine vorteilhaft genutzt werden. Die sogenannte Nahfeldbedingung: d = λ / 2π kann für sehr hohe Frequenzen bis in eine Größenordnung von über 250 GHz erfüllt werden, bei einem angenommenen Luftspalt von 2 mm.

Das bedeutet, dass die magnetische Feldstärke H für den Antrieb der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine genutzt werden kann. Für eine praktische Anwendbarkeit als Motor sollte die zur Verfügung stehende magnetische Feldstärke H verstärkt werden. Das kann einerseits erfolgen, indem die Amplitude der Erregersignale erhöht wird. Als Alternative zur Erhöhung der Amplituden ist gemäß der Erfindung vorgesehen, geeignete Hochfrequenz-Abstrahlelemente (Antennenelemente) zu verwenden. Insbesondere sieht die Erfindung die Verwendung von Hohlraumresonatoren vor, die für Erreger Signale im GHz- Bereich bestens geeignet sind. Der Hohlraumresonator wird dabei in einem Mode betrieben, bei dem nur das magnetische Feld austritt, das mit einer Gegenelektrode am bewegten Teil der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine gekoppelt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung sind die Hochfrequenz- Abstrahlelemente an gegenüberliegenden Seiten des bewegten Teils angeordnet. Bei Verwendung von Hohlraumresonatoren werden diese so angeordnet, dass sie einander überlappen, um die weiter unten beschriebenen Signalmischbedingungen zu erfüllen, wobei das Ausmaß der Überlappung keinen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit der erfmdungsgemäßen elektromagnetischen Maschine hat, solange die H-Felder einander kreuzen und überlagern. Als alternative Hochfrequenz-Abstrahlelemente, insbesondere für Frequenzen unterhalb des GHz -Bereichs, sind Flachspulen vorgesehen.

Als weitere Maßnahme zur Verstärkung der für den Antrieb des bewegten Teils der elektromagnetischen Maschine zur Verfügung stehenden magnetischen Feldstärke H sieht die Erfindung Maßnahmen vor, um die Frequenz der magnetischen Feldstärke durch Superposition von Erregersignalen in einen für den Rotations- oder Linearantrieb des bewegten Teils der Maschine besser geeigneten niederfrequenten Bereich zu verschieben. Die daraus resultierende, erfmdungsgemäße, auf Frequenztransformation aufbauende elektromagnetische Maschine wird von den Erfindern als "RF Superposition Asynchronmaschine" bezeichnet.

Zur Erläuterung der Funktion der erfmdungsgemäßen "RF Superposition Asynchronmaschine" wird zunächst auf die Theorie herkömmlicher Asynchronmaschinen Bezug genommen, die auf die Arbeiten des Physikers Nikola Tesla zurückgeht. Das Ersatzschaltbild einer einphasigen Asynchronmaschine ist in Fig. 6 dargestellt. Man erkennt, dass dieses Ersatzschaltbild einer einphasigen Asynchronmaschine dem Ersatzschaltbild eines herkömmlichen elektromagnetischen Transformators sehr ähnlich ist. R ₁ bezeichnet den ohm'schen Widerstand der Ständerwicklung aufgrund von Kupferwiderstand und Ummagnetisiemngsverlusten, X( _σ 1) die Induktivität der Ständerwicklung bei stillstehendem Rotor, X _h den Blindwiderstand der Ständerwicklung bei asynchronem Lauf und C( _δ2 )' die Induktivität des still stehenden Rotors. In der Tat ist eine Asynchronmaschine im physikalischen Sinn ein Magnetfeldtransformator, wobei die Leistung einer ohm'schen Last zugeführt wird, die aus einem elektrischen und einem mechanischen Teil zusammengesetzt ist. Der Widerstand (R ₂ ')/s im Ersatzschaltbild kann geteilt werden in: wobei der Teil R2' die elektrische Last bezeichnet, und der Teil die mechanische Last bezeichnet. Die mechanische Last setzt sich aus dem durch die Rotorkonstruktion bedingten elektrischen Widerstand und der relativen Abweichung von der synchronen Rotationsgeschwindigkeit s zusammen, die definiert ist als: wobei (im Fall eines zweipoligen Asynchronmotors) n ₁ die durch die Frequenz fi der Versorgungsspannung Ui festgelegte synchrone Rotationsgeschwindigkeit ist: n ₁ = f ₁ und n die tatsächliche Rotationsgeschwindigkeit ist.

Ein wesentliches Merkmal von Asynchronmaschinen ist, dass beim Betrieb als Motor der Rotor dem Drehfeld des Stators, das im Luftspalt zwischen Stator und Rotor radial gerichtet ist, immer nachläuft und beim Betrieb als Generator der Rotor dem Drehfeld des Stators immer vorausläuft. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei synchroner Drehung der magnetische Fluss durch die Maschen des Käfigs des Rotors konstant ist und daher keine Spannung induziert wird. Das Drehmoment bei synchroner Drehung ist daher null.

Die Rotation einer Asynchronmaschine wird gemäß der Idee von Nikola Tesla herb ei geführt, indem die Wellengleichungsbedingung: erfüllt wird, wobei gilt: v = 2 r π n ₁ mit r ... Radius des Rotors

In der praktischen Umsetzung wird diese Wellengleichungsbedingung durch einen geometrischen Versatz der magnetischen Feldraumvektoren erfüllt, was gleichbedeutend ist mit einer Zeitverschiebung einer Mehrphasenversorgung der Asynchronmaschine. Beispielsweise ist bei einem Dreiphasensystem ein geometrischer Versatz von 120° und eine elektrische Verschiebung von 120° zwischen den Phasen erforderlich. Wendet man die Theorie von Tesla's Asynchronmaschine auf die erfindungsgemäße elektromagnetische Maschine an, so führt der dabei zur Anwendung gelangende Nahfeldansatz zu einer mechanischen Verschiebung der Abstrahlelemente und gleichzeitig zu einem Zwischenphasenversatz der hochfrequenten Erregersignale. Dabei ist jedoch der Umstand zu beachten, dass im Fall von Erregersignalen im RF- oder Mikrowellenbereich die daraus resultierende synchrone Rotationsgeschwindigkeit n ₁ extrem hoch und somit praktisch nicht realisierbar wäre. Deshalb sieht die Erfindung auch die Verwendung des oben erläuterten Ansatzes des multiplikativen Mischens zweier hochfrequenter Signale (RF Signale bzw. Mikrowellen) vor, die sich um eine gewünschte synchrone Rotationsgeschwindigkeit n ₁ voneinander unterscheiden. Wie oben erklärt wurde, führt die Multiplikation von Signalen mit den Frequenzen f1 bzw. f2 zu einem ersten Mischsignal mit der Frequenz f1 + f1 und zu einem zweiten Mischsignal mit der Frequenz f1 - f2. Wenn nun die Frequenzen f1 und f2 so gewählt werden, dass sie sich genau um die synchrone Rotationsgeschwindigkeit nl unterscheiden, so ist die Frequenz fdiff des zweiten Mischsignals gleich der synchronen Rotationsgeschwindigkeit nl, d.h. es gilt: fdiff = f1 - f2 = nl

Das erste Mischsignal mit der Frequenz f1 + f1 sowie die ursprünglichen Signale mit den Frequenzen f1 bzw. f2 werden durch ein Tiefpassfilter unterdrückt, dessen Grenzfrequenz unter den Frequenzen f1 und f2 liegt.

Zur Realisierung der multiplikativen Mischung von Signalen wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, RF -Mi scherdioden zu verwenden. Insbesondere weisen GaAs (Gallium Arsenid) Dioden eine hervorragende Leistung bei Verwendung für Signale im RF und Mikrowellen Frequenzbereich auf. Sie zeigen bei Hochfrequenz geringe Verluste und sind in der Herstellung billig. Die Mischerdioden bilden Gegenelektroden für die Abstrahlelemente des magnetischen Felds und koppeln induktiv mit dem magnetischen Feld. Die Mischerdioden führen die Superposition der Erregersignale mit den Frequenzen f1 und f2 aus und koppeln das resultierende Mischsignal f1 - f2 in ein elektrisch leitendes Element des bewegten Elements aus.

In Fig. 7 ist ein beweglicher Teil 8 (Rotation in Pfeilrichtung 31) der erfmdungsgemäßen elektromagnetischen Maschine in Ringform dargestellt. Der bewegliche Teil 8 weist zumindest eine leitfähige Schicht als elektrisch leitfähiges Element auf, z.B. eine Kupferschicht, die auf einem Stützelement 13, wie z.B. einem Stahlring, aufgebracht ist. Weiters sind auf diesem bewegten Element 8 eine Vielzahl von Mischerelementen in Form von Mischerdioden 46 (z.B. GaAs-Dioden) auf einem Halbleiter-Wafer 45 angeordnet, der Teil des bewegten Elements 8 ist. Die Anordnung ist bei diesem Ausführungsbeispiel solcherart, dass die Mischerdioden 46 in, z.B. drei, Reihen seriengeschaltet sind und jede Reihe zusätzlich durch Ringe 50, 51, 52, 53 aus elektrisch leitfähigem Material parallelgeschaltet ist. Der äußerste 50 und der innerste 53 Ring aus leitfähigem Material dienen als Radiofrequenz- bzw. Mikrowellen- H-Feld Induktiv-Koppler, die beiden mittleren Ringe 51, 52 aus leitfähigem Material stellen die Kopplungsringe für das sich durch die Signalmischung ergebende Signal mit der Differenzfrequenz dar. Diese Ausführungsform des bewegten Elements 8 bildet auch gleichzeitig ein Tiefpassfilter, das sowohl die beiden ursprünglichen RF-Signale als auch das durch Signalmischung der RF-Signale entstehende RF-Signal mit der Summe der beiden Einzelfrequenzen ausfiltert und nur das Mischsignal mit der Differenz der beiden Einzelfrequenzen durchlässt. Die Wirkung als Tiefpassfilter ergibt sich wie folgt.

RF-Signale haben keine relevante Auswirkung auf die erzeugte Kraft aufgrund des Proximity-Effekts. Wenn das RF-H-Feld die leitende Schicht, z.B. eine Kupferschicht, des bewegten Elements passiert, ergibt sich gemäß dem Induktionsgesetz zwar eine induzierte RF-Spannung, aber kein Strom.

Das Induktionsgesetz lautet:

Daraus folgt die Stromdichte gemäß dem Ohm'sch en Gesetz:

J=γ.E

Die Stromdichte J fällt gemäß dem Skin-Effekt exponentiell vom Außenradius des ringförmigen bewegten Elements nach innen gemäß der Skin-Tiefe d ab: wobei Js die Stromdichte an der Oberfläche (d.h. dem Außenumfang) des bewegten Elements ist und d die Tiefe unterhalbe der Oberfläche. Die Skin-Tiefe d errechnet sich somit folgendermaßen:

Die Region G, die von der Stromdichte J im Falle eines zylindrischen Leiters durchsetzt wird, ist somit gegeben als:

Daher ergibt sich der elektrische Widerstand R(jω ) der leitenden Innenschicht bei hohen Frequenzen als:

Wenn man dieses Ergebnis auf das Einphasenmodell eines Asynchronmotors von Fig. 6 anwendet, so ist der Widerstand (R2') des Schaltbilds von Fig. 6 durch den Widerstand (R _{(jω )} ') zu ersetzen. Da R _(jω) im GHz-Bereich ca. 3x10 ⁴ mal größer als bei Gleichstrom oder Niederfrequenz (z.B. 50 Hz) ist, kann das Einphasenmodell von Fig. 6 als Leerlaufkreis angesehen werden, sodass keine Voraussetzung für die Erzeugung einer Lorentz -Kraft besteht. Der Strom I2 ist daher (nahezu) Null. In der Praxis existiert zwar ein geringer Reststromfluss aufgrund von Streumomenten, der aber durch fachgerechte, von herkömmlichen Induktionsmaschinen bekannte, Auslegung des bewegten Elements weitgehend unterdrückt wird.

Durch das in das elektrisch leitende Element eingekoppelte niederfrequente Mischsignal Fdiff = f 1 - f2 (entspricht der gewünschten Synchrondrehfrequenz nl) wird eine Lorentz - Kraft

F = I (B x l) erzeugt, mit F ... Lorentz -Kraft B ... magnetische Flussdichte

I ... elektrischer Strom l ... gerichtete Leiterlänge

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine, die einer Einphasenasynchronmaschine entspricht, ist in Fig. 8 dargestellt. Diese elektromagnetische Maschine 1 weist eine erste Erregersignalquelle 2, die ein erstes elektromagnetisches Erregersignal Rf1 mit einer ersten Frequenz f1 bereitstellt und eine zweite Erregersignalquelle 3 auf, die ein zweites elektromagnetisches Erregersignal Rf2 mit einer zweiten Frequenz f1 bereitstellt. Die beiden Erregersignalquellen 2, 3 können in ein Gerät integriert sein, das z.B. als Signalgenerator mit mehreren Signalausgängen integriert ist. Die Erregersignalquellen 2, 3 erzeugen vorzugsweise harmonische Erregersignale Rf1, Rf2, z.B. sinusförmige Signale. Bei den Erregersignalen Rf1, Rf2 handelt es sich um hochfrequente Signale im Radiofrequenz- (RF) oder Mikrowellenbereich, d.h. um Signale bis in höhere GHz -Frequenzbereiche. Die erste Frequenz f1 des ersten Erregersignals Rf1 unterscheidet sich von der zweiten Frequenz f2 des zweiten Erregersignals Rf2.

Weiters umfasst die elektromagnetische Maschine ein erstes Abstrahlelement 6, das mit der ersten Erregersignalquelle 2 über eine Leitung 4, in diesem Ausführungsbeispiel eine Koaxialleitung, und ein Impedanzanpasselement 16 verbunden ist. Dem Abstrahl element 6 wird über die Leitung 4 das von der ersten Erregersignalquelle 2 bereitgestellte erste Erregersignal Rf1 zugeführt. Weiters umfasst die elektromagnetische Maschine ein zweites Abstrahlelement 7, das mit der ersten Erregersignal quelle 3 über eine Leitung 5, in diesem Ausführungsbeispiel eine Koaxialleitung, und ein Impedanzanpasselement 17 verbunden ist. Dem Abstrahlelement 7 wird über die Leitung 5 das von der ersten Erregersignalquelle 3 bereitgestellte erste Erregersignal Rf2 zugeführt. Die beiden feststehenden Ab Strahlelemente 6, 7 wirken in der elektromagnetischen Maschine 1 als Statoren.

Die elektromagnetische Maschine 1 umfasst weiters einen relativ zu den Abstrahlelementen 6, 7 beweglichen Teil 8, der in dieser Ausführungsform als um eine Drehwelle 12 rotierender Rotor ausgebildet ist. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der bewegliche Teil 8 eine lineare (gerade oder gekrümmte) Bewegung ausführen. Der bewegliche Teil ist relativ zum ersten Abstrahlelement 6 und zum zweiten Abstrahlelement 7 in einem Abstand d angeordnet, wodurch zwischen dem beweglichen Teil 8 und den Abstrahlelementen 6, 7 Luftspalte 9 mit einer Breite des Abstands d gebildet sind. Die Abstrahlelemente 6, 7 wirken als Antennen, die die ihnen zugeführten Erregersignale Rf1, Rf2 mit den Stromdichten Jf1, Jf2 zumindest überwiegend als magnetische Felder Hf1 und Hf2 ausstrahlen, wobei die elektromagnetischen Felder Hf1, Hf2 im Wesentlichen normal auf die Drehrichtung des beweglichen Teils 8 und des Luftspalts 9 stehen. Die Abstände d sind so gewählt, dass die Breiten der Luftspalte so gering sind, dass die Abstrahlelemente 6, 7 die ihnen zugeführten Erregersignale Rf1, Rf2 durch die Luftspalte 9 im Nahfeldbetrieb zu dem beweglichen Teil 8 abstrahlen und die Erregersignale Rf1, Rf2 bzw. die von ihnen bewirkten magnetischen Felder Hf1, Hf2 einander im beweglichen Teil 8 überlagern. Der bewegliche Teil 8 weist Mischerelemente 10 auf, die die Erregersignale Rf1, Rf2 bzw. die von ihnen bewirkten magnetischen Felder Hf1, Hf2 empfangen und miteinander mischen, sodass ein Mischsignal Mfdiff mit der Differenzfrequenz fdiff aus der ersten Frequenz f1 und der zweiten Frequenz f2 gebildet wird, d.h. es gilt fdiff = f1 - f2. Die beiden Frequenzen f1 und f2 werden so gewählt, dass die Differenzfrequenz fdiff gleich der gewünschten synchronen Rotationsfrequenz nl des beweglichen Teils 8 der elektromagnetischen Maschine 1 ist, d.h. es gilt: fdiff = f1 - f2 = nl. Wie oben detailliert erklärt worden ist, stellt die Mischung von harmonischen Signalen eine Multiplikation der Signale dar, bei der auch ein weiteres Mischsignal mit der Summendifferenz f 1 + f2 gebildet wird, das jedoch ebenso wie die zu multiplizierenden Signale durch ein Tiefpassfilter unterdrückt wird, dessen Grenzfrequenz unter den Frequenzen f1 und f2 der Erreger Signale Rf1, Rf2 liegt.

Der bewegliche Teil 8 weist zumindest ein elektrisch leitendes Element 11 auf, in das die Mischerelemente 10 das Mischsignal Mfdiff mit der Differenzfrequenz fdiff einkoppeln und dadurch eine Lorentz -Kraft induzieren, die wiederum ein Drehmoment auf den beweglichen Teil 8 erzeugt.

In der vorliegenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine ist der bewegliche Teil 8 als Bremsscheibe eines Fahrzeugrads ausgebildet und weist zwei voneinander beabstandete Scheiben aus Stahl auf, die durch Stützelemente 13 miteinander starr verbunden sind. Die Stahlscheiben dienen als die elektrischen Leiter 11, ausgeführt als Schicht aus einem elektrisch leitenden, nicht permanentmagnetischen Material. Aufgrund ihrer Festigkeit dienen die Scheiben aber auch als Trägerschicht für die Mischerelemente 10, die im Raum zwischen den Stahlscheiben angeordnet sind. Es ist bei dieser Ausführungsform der elektromagnetischen Maschine 1 vorgesehen, die Mischerelemente 10 als Halbleitermischerelemente in Form von GaAs-Hochfrequenz- Mischerdioden auszubilden, wobei die Realisierung sowohl in Form von diskreten Elementen als auch als Wafer erfolgen kann. Durch die Anordnung der Mischerelemente 10 zwischen den Stahlscheiben sind sie auch gegen Umwelteinflüsse gut geschützt.

Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine sind die Abstrahlelemente 6, 7 in Hohlraumresonatoren 14, 15 angeordnet, deren geometrische Formen an die Erregersignale Rf1, Rf2 angepasst sind. Die Hohlraumresonatoren 14, 15 sind bevorzugt aus einem mechanisch widerstandsfähigen Material, z.B. Edelstahl, ausgebildet. Im Hohlraumresonator 14, 15 können Absorbtionselemente 18 zum Absorbieren von Störschwingungen angeordnet sein.

Die Hohlraumresonatoren 14, 15 können als Spezialfall eines rechteckigen Wellenleiters angesehen werden, der ein kurzgeschlossenes Rohr bei einem E-Feld-Minimum und einem H-Feld-Maximum des elektromagnetischen Schwingungsmusters eines jeden Modes darstellt. Das elektrisch leitende Element 11 des beweglichen Teils 8 "verschließt" den Hohlraumresonator 14, 15 an seinem offenen Ende, wobei zwischen dem offenen Ende des Hohlraumresonators 14, 15 und dem elektrisch leitenden Element 11 ein Luftspalt 9 ausgebildet ist. Dieser Luftspalt 9 ist aus konstruktiven mechanischen Gründen notwendig, damit sich der bewegliche Teil 8 unter Einhaltung von Bewegungs- und Bauteiltoleranzen frei drehen kann. Solange jedoch der Luftspalt 9 signifikant kleiner ist als eine Wellenlänge des eingespeisten RF-Signals hat er keine Auswirkung auf das elektromagnetische Schwingungsmuster des rechteckigen Wellenleiters bzw. des Hohlraumresonators 14, 15. Man kann sich den Hohlraumresonator in Kombination mit dem elektrisch leitenden Element 11 als kontinuierlichen Wellenleiter ohne jegliche Diskontinuitäten vorstellen. Auf dem elektrisch leitenden Element 11 ist der oben anhand der Fig. 7 beschriebene Halbleiter- Wafer mit dem Mi scher di odennetzwerk angebracht. Diese Elemente bewirken in Kombination den Niederfrequenz-Stromfluss mit der Frequenz Fdiff im elektrisch leitenden Element 11 und damit die Erzeugung der Lorentz -Kraft und folglich des Drehmoments.

Die erfindungsgemäße elektromagnetische Maschine 1 weist das Verhalten einer Asynchronmaschine auf und ist daher sowohl als Motor als auch als Generator betreibbar.

Bei Vorsehen der Abstrahlelemente 6, 7 in den Hohlraumresonatoren 14, 15 kann die elektromagnetische Maschine 1 im Generatorbetrieb auch als äußerst leistungsfähiger Kurzzeit-Energiespeicher dienen, da nicht entnommene Energie im Hohlraumresonator 14,

15 pendelt und die Zufuhr von elektromagnetischer Energie durch den Generatorbetrieb zu einer fast verlustfreien Speicherung dieser Energie im Hohlraumresonator 14, 15 führt. Diese Eigenschaft kann zur Rückgewinnung von Bremsenergie bei Fahrzeugen ausgenützt werden, beispielsweise auch für das im Motorsport als KERS (Kinetic Energy Recovery System) bekannte Energierückgewinnungssystem.

Die elektromagnetische Maschine 1 von Fig. 8 ist als Einphasenasynchronmaschine konfiguriert, ist aber nicht auf Einphasensysteme beschränkt. Vielmehr kann die erfindungsgemäße elektromagnetische Maschine auch als Mehrphasensystem konfiguriert sein, wie nachfolgend anhand der Ausführungsform von Fig. 9 schematisch dargestellt ist. Fig. 9 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer dreiphasigen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine 20 mit drei Phasen R, S, T. Wie bei der oben beschriebenen elektromagnetischen Maschine 1 werden auch bei der dreiphasigen elektromagnetischen Maschine 20 von - nicht dargestellten - Erregersignal quellen über Leitungen 21, 22, 23 elektromagnetische Erregersignal Rf1, Sf1, Tf1 und Rf2, Sf2, Tf2 in einem nachfolgend beschriebenen zeitlichen Ablauf zu Abstrahlelementen 24, 25, 26 übertragen, wobei die Abstrahlelemente 24, 25, 26 als Antennen wirken, die die elektromagnetischen Erregersignale (Rf1, Sf1, Tf1; Rf2, Sf2, Tf2) im Nahfeldbetrieb abstrahlen. Die Abstrahlelemente 24, 25, 26 sind in Hohlraumresonatoren 27, 28, 29 angeordnet. Zwischen den Abstrahlelementen 24, 25, 26 ist ein als Rotor ausgebildeter beweglicher Teil 8 angeordnet, der gleich konfiguriert sein kann wie der bewegliche Teil 8 aus Fig. 7 und Fig. 8 und deshalb nicht nochmals erläutert werden muss. Genauer gesagt liegen die Abstrahlelemente 24, 25, 26 einander in Bezug auf den beweglichen Teil 8 abwechselnd gegenüber, d.h. das Abstrahlelement 25 im Hohlraumresonator 28 der Phase S liegt dem Abstrahlelement 24 im Hohlraumresonator 27 gegenüber und das Abstrahlelement 24 im Hohlraumresonator 27 der Phase R liegt dem Ab Strahlelement 26 im Hohlraumresonator 29 gegenüber, wobei die Abstrahlelemente 24, 25, 26 geometrisch entlang des Bewegungspfads, d.h. dem Rotationsweg des beweglichen Teils 8, gegeneinander versetzt sind. Somit liegt der bewegliche Teil 8 zwischen dem Hohlraumresonator 27 der Phase auf der einen Seite und den Hohlraumresonatoren 28, 29 der Phasen S, T auf der anderen Seite. Weiters überlappt der Hohlraumresonator 27 teilweise den Hohlraumresonator 28 und der Hohlraumresonator 28 teilweise den Hohlraumresonator 29. Eine weitere Anforderung bei der mehrphasigen elektromagnetischen Maschine 20 ist, dass die Erregersignale zueinander phasenversetzt sind, und zwar um den Winkel 360° / Phasenanzahl, das heißt bei einem Dreiphasensystem um 120° je Phase.

In Fig. 10 ist die dreiphasige elektromagnetische Maschine 20 mit einer Ausführungsform einer Steuerung dargestellt. In dieser Zeichnung erkennt man den beweglichen Teil 8 mit der Drehrichtung 31, den Hohlraumresonatoren 27, 28, 29 und Leitungen 21, 22, 23, um die Erregersignale den in den Hohlraumresonatoren 27, 2829 angeordneten - nicht dargestellten - Abstrahlelementen zuzuführen. Die Erregersignale für die drei Phasen werden von einem Mehrphasen-Signalgenerator 30 erzeugt, der z.B. Sinuswellen mit einer Frequenz von ca. 5 GHz bei einer Impedanz von 50 Ohm erzeugt und eine Leistung von mehreren 10 kW aufweist. Der Mehrphasen-Signalgenerator 30 wird von einer Gleichspannungsquelle 41, z.B. einer Batterie, mit elektrischer Leistung versorgt. Zur Regelung des Mehrphasen- Signalgenerators 30 dient ein Geschwindigkeitssensor 32, der die momentane Drehgeschwindigkeit des beweglichen Teils 8 misst und ein Rückkopplungssignal 33 an einen Verstärker 34 liefert, der als zweites Eingangssignal ein

Geschwindigkeitseinstellsignal 35 erhält. Das Ausgangssignal des Verstärkers 34 wird einem Regelkompensationsnetzwerk 36 zugeführt, dessen Ausgangssignal an einen Spannungs/Frequenz-Wandler 38 übertragen wird, dessen Ausgangssignal wiederum von einem digitalen Signalprozessor 37 gemäß einem numerischen Algorithmus verarbeitet wird, anschließend in einem Di gital/Analog- Wandler 39 in ein Analogsignal umgeformt, durch ein Hochfrequenz- Anpassnetzwerk 40 geformt und als Regel -Eingangssignal dem Mehrphasen - Signalgenerator 30 zugeführt wird.

Fig. 11 zeigt ein Zeitdiagramm der Zuführung der hochfrequenten Erregersignale zu den Abstrahl elementen 24, 25, 26 der Dreiphasen-Maschine von Fig. 9 und Fig. 10. Zu einem ersten Zeitpunkt t1 führt der Mehrphasen-Signalgenerator 30 dem Abstrahlelement 24 der Phase R ein elektromagnetische Erregersignal Rf1 mit einer ersten Frequenz f1 zu und dem Abstrahlelement 25 der Phase S ein elektromagnetisches Erregersignal Sf2 mit einer zweiten Frequenz f2 zu. Da die Hohlraumresonatoren 27, 28, 29 teilweise überlappend angeordnet sind, stellt sich die oben beschriebene Signalmischung ein, die zu einem Differenzsignal mit der erwünschten Drehzahl-Frequenz führt. Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 führt der Mehrphasen-Signalgenerator 30 dem Abstrahlelement 25 der Phase S ein elektromagnetische Erregersignal Sf1 mit einer ersten Frequenz f1 zu und dem Abstrahlelement 26 der Phase T ein elektromagnetisches Erregersignal Tf2 mit einer zweiten Frequenz f2 zu. Zu einem dritten Zeitpunkt t4 führt der Mehrphasen-Signalgenerator 30 dem Abstrahlelement 26 der Phase T ein elektromagnetische Erregersignal Tf1 mit einer ersten Frequenz f1 zu und dem Abstrahlelement 24 der Phase R ein elektromagnetisches Erregersignal Rf2 mit einer zweiten Frequenz f2 zu. Ein vierter Zeitpunkt t4 entspricht bezüglich der Erregersignalzuführung dem ersten Zeitpunkt tl, d.h. ab dem vierten Zeitpunkt t4 wiederholt sich der Zyklus. Die elektromagnetischen Erregersignale Rf1, Rf2, Sf1, Sf2, Tf1, Tf2 sind pulsweitenmodulierte Signale mit einer Pulsweite von z.B. zwischen 1 ms und 10 ms und werden immer einem Paar benachbarter Phasen zugeführt, z.B. mit einem Tastverhältnis von 1:1 bis 1:5. Die Steuerung des zeitlichen Musters der Erregersignale erfolgt durch den digitalen Signalprozessor 37, in dem das Basisbandsignal generiert wird, und daran anschließend direkte digitale Synthese (DDS), mit der aus den digitalen Signalen des digitalen Signalprozessors 37 analoge Signale erzeugt werden, die mittels phase-locked- loop (PLL) Schaltungen stabil gehalten werden. Es sind DDS -PLL-Schaltungen für alle Erregersignale Rf1, Rf2, Sf1, Sf2, Tf1, Tf2 aller Phasen R, S, T mit beiden Frequenzen f1, f2 vorgesehen, die im Digital/ Analog -Wandler 39 angeordnet sind. Fig. 12 zeigt eine beispielhafte Aufhängung der Hohlraumresonatoren 27, 28, 29 mittels Halteelementen 47, 48, 49 an einem Chassis 50 eines Fahrzeugs, wodurch die Hohlraumresonatoren mit den darin enthaltenen Abstrahlelementen die Funktion eines Stators übernehmen.