Mit dem Erfindungsgegenstand konstruktiv vergleichbare Motoren sind vorwie- gend im letzten Jahrhundert entstanden, beschrieben beispielsweise im Lehrbuch von 0. Multhaupt"Die moderne Elektrizität" mit Nachträgen von 0. Zacharias (Seiten 152 bis 203), Springer-Verlag, Berlin (ca. 1905) und ferner wesensver- wandt im Artikel von A. Imhof Die ersten 50 Jahre der Dynamomaschine. Ein historischer Überblick.", Bulletin SEVNSE, Nr. 69 (1978), Heft 20, Seiten 1108 bis 1114, mit weiteren Literaturangaben. Die Entwicklung und Herstellung der heuti- gen elektrischen Maschinen oder Elektromotoren begann mit der Erfindung des Trommelankers um 1872.

Alle diese Konstruktionen beruhen auf dem Gesetz von Biot-Savart (1830) - die Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen elektrischen Leiter im Magnetfeld - und auf dem Gesetz von Faraday-Henry (1832) der elektromagnetischen Induk- tion. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und einer elektrischen Spule wird um ein Vielfaches verstärkt, wenn die stromführenden elektrischen Leiter mit ferromagnetischem Material kombiniert werden. In einem geringen Bauvolumen lassen sich damit erhebliche mechanische Leistungen erbringen. In der Regel wird das magnetische Feld vom ruhenden Teil oder Stator erzeugt und sind die Arbeitsspulen auf einem drehbeweglichen Teil oder Rotor angeordnet. Das magnetische Feld durchdringt dabei über den Luftspalt zwischen Stator und Rotor die Windungen der Arbeitsspulen. Werden die Arbeitsspulen mit einem elektri- schen Strom beaufschlagt, arbeitet die Maschine als Motor, d.h. sie gibt mechani- sche Energie ab. Wenn umgekehrt der Rotor durch mechanische Leistung ge- dreht wird, wird in den Windungen der Arbeitsspulen eine elektrische Spannung induziert, so dass die Maschine als elektrischer Generator arbeitet. Das Prinzip ist somit reversibel. In beiden Fällen tritt jedoch durch das komplementäre Gesetz eine Bremswirkung auf, d.h. die motorische und die generatorische Wirkung ste-

hen in einem dualen Verhältnis, so dass beim Elektromotor schliesslich die gene- ratorische Wirkung und beim Generator die motorische Wirkung dominiert. Das Wechselspiel der beiden bewirkt, dass höchstens soviel Leistung umgesetzt, als elektrische oder mechanische zugeführt wird. Das Erregerfeld selbst dient ledig- lich als Translator, verbraucht selbst aber keine Energie.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor zu schaffen, der im Vergleich zu den heutigen Elektromotoren einen wesentlich höheren Wir- kungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird durch den magnetodynamischen Motor gemäss den Merk- malen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es eine Wechsel- wirkung zwischen magnetischen Feldkräften gibt, die von den obengenannten Gesetzen von Biot-Savart und Faraday-Henry unabhängig ist. Ausgegangen wird dabei von der Überlagerung des Magnetfeld es zwischen den Polen von beispiels- weise U-förmigen Permanent- oder Elektromagneten (in der Folge "Erregermagnete" genannt) und den Polfeldern an den Enden von zu ihren Quer- abmessungen langen, eng gewickelten Drahtspulen (in der Folge "Solenoide" ge- nannt). Wird nun ein solches stromdurchflossenes Solenoid durch den Luftspalt oder Polabstand eines Erregermagneten hindurch bewegt, so treten an den En- den des Solenoids ausser den Querkräften auch in Bewegungsrichtung Feld kräfte auf. Diese heben sich in der Mitte des Luftspaltes (Symmetrieebene) auf, seitlich davon überwiegt jedoch die Wirkung des näheren Pols. Diese anziehenden oder abstossenden Kräfte zwischen der Mitte des Luftspaltes und den Polflächen des Erregermagneten dienen nun als Antrieb für den erfindungsgemässen Motor. In einer Weiterbildung der Erfindung werden zwei achsparallele Solenoide genutzt, die beide ausserhalb der Mitte des Luftspaltes oder Symmetrieebene liegen und gegensätzlich gepolt sind. Damit verdoppeln sich die Feld kräfte in Bewegungs- richtung und heben sich die Querkräfte auf. Wesentlich ist, dass die magnetische bzw. geometrische Achse der Solenoide zumindest annähernd senkrecht zur Pol-

achse bzw. parallel zu den Polflächen der Erregermagnete verläuft und dass die Solenoide keine ferromagnetischen Stoffe enthalten.

Zur Umsetzung der obengenannten Kraftwirkung in mechanische Arbeit sind die Erregermagnete beispielsweise auf einem ruhenden Teil oder Stator und die So- lenoide auf einem drehbaren Teil oder Rotor montiert. Die erforderliche Ortho- gonalität der magnetischen Achsen lässt sich auf drei Arten realisieren: - das Magnetfeld des Erregermagneten im Luftspalt ist radial zur Drehachse und die Solenoide sind axial zur Drehachse ausgerichtet; - das Magnetfeld des Erregermagneten im Luftspalt ist parallel zur Drehachse und die Solenoide sind radial zur Drehachse ausgerichtet; und - das Magnetfeld des Erregermagneten im Luftspalt ist parallel zur Drehachse und die Solenoide sind azimutal zur Drehachse ausgerichtet.

In ailen Fällen ist das abwechselnd gepolte Magnetfeld der Erregermagnete im Luftspalt den Polfeldern an den Enden der Solenoide überlagert. Damit ein gleichgerichtetes Drehmoment des Rotors zustande kommt, wird zum Zeitpunkt der Koinzidenz der Magnetfelder fortlaufend die Polarität der Solenoide gewech- selt. Realisierbar sind Bauarten mit einem Kollektor oder als Synchronmotor, im letzten Fall auch als Innenpolmaschine. Synchronmotoren eignen sich zudem für den Mehrphasenbetrieb, bei Eigensynchronisierung auch mit Selbstanlauf.

Weitere Vorteile der Erfindung folgen aus den abhängigen Patentansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher die Erfindung anhand mehrerer schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert wird. Es zeigt: Fig. 1 eine wesentlich vereinfachte Darsteilung eines magnetodynamischen Motors zur Erläuterung des erfindungsgemässen Prinzips, wobei in Fig. 1a mit einem einzelnen Solenoid und in Fig. 1b mit einem Dop- pelsolenoid, Fig. 2 den Aufbau eines Kollektormotors mit zwei Polpaaren der Erreger- magnete und dreizehn Solenoide, wobei in Fig. 2a eine Draufsicht

ohne Gehäuse und in Fig. 2b eine Seitenansicht, teilweise in Quer- schnitt, mit den Solenoiden axial zur Rotorachse gerichtet, Fig. 3 den Aufbau eines Kollektormotors mit zwei Polpaaren der Erreger- magnete und neun Solenoidpaaren, wobei in Fig. 3a eine Draufsicht ohne Gehäuse und in Fig. 3b eine Seitenansicht, teilweise im Quer- schnitt, mit den Solenoiden radial zur Rotorachse gerichtet, Fig. 4 den Aufbau eines Synchronmotors mit sechs Polpaaren der Erreger- magnete und sechs Solenoidpaaren, wobei in Fig. 4a eine Draufsicht ohne Gehäuse und in Fig. 3b eine Seitenansicht, teilweise im Quer- schnitt, mit den Solenoiden radial zur Rotorachse gerichtet, und Fig. 5 den Aufbau eines Synchronmotors mit achtzehn Polpaaren der Erre- germagnete und achtzehn Solenoidpaaren, wobei in Fig. 5a eine Draufsicht ohne Gehäuse und in Fig. 5b eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, mit den Solenoiden tangential zur Rotorachse gerich- tet.

In den Figuren sind für dieselben Elemente jeweils dieselben Bezugszeichen ver- wendet worden und erstmalige Erklärungen betreffen alle Figuren, wenn nicht ausdrücklich anders erwähnt.

In Figur 1a ist in wesentlich vereinfachter Darstellung das Prinzip eines magneto- dynamischen Motors 1 mit einem Erregermagneten 2 mit zwei Magnetpolen 3 und 4 und einem Solenoid 5 mit seinen jeweiligen Enden 6 gezeigt, welches auf einer Achse 7 drehbar gelagert ist. Die Achse 7 ist in einem Magnetjoch 8 mit Dreh- lagern befestigt. Auf dem Magnetjoch 8 sind die Magnetpolen 3 und 4 gegenüber einander angebracht. Gestrichelt ist die magnetische Achse 9 des Magnetfeldes zwischen den Magnetpolen 3 und 4 sowie die Mitte des Luftspaltes 10 zwischen den beiden Magnetpolen 3 und 4, auch Symmetrieebene genannt, angegeben.

Das Prinzip des magnetodynamischen Motors 1 beruht darauf, dass das Solenoid 5 mit dem Magnetfeld zwischen den beiden Magnetpolen 3 und 4 in Wechselwir- kung tritt, wenn die magnetische oder geometrische Achse 11 des mit einem Gleichstrom gespeisten Solenoids 5 und die magnetische Achse 9 des Magneffel- des der Magnetpole 3 und 4 im wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet sind und das Solenoid ausserhalb der Symmetrieebene 10 in das Magnetfeld hin- einbewegt wird. Diese Bewegung kann sowohl rotatorisch als auch translatorisch sein. Diese Wechselwirkung beruht auf einer anziehenden Kraft, die ausgeübt wird, wenn das Solenoid 5 die entgegengesetzte Polarität wie diejenige des näherliegenden Magnetpols 3 aufweist, und eine abstossende Kraft, wenn das Solenoid 5 dieselbe Polarität aufweist. Somit ist für eine kontinuierliche Bewegung ein Polaritätwechsel im Solenoid 5 erforderlich, wenn das Solenoid durch den Luftspalt zwischen den beiden Magnetpolen 3 und 4 hindurchtritt.

In Figur 1b ist dasselbe Prinzip mit zwei Solenoide 5 und 5' dargestellt, wodurch eine Verdopplung der Feldkäfte bewirkt wird und sich die Querkräfte aufheben.

Wie ersichtlich ist dabei die Polarität des unteren Solenoids 5' entgegengesetzt zu derjenigen des oberen Solenoids 5.

Eine Erklärung wird darin gesehen, dass das magnetische Feld des Solenoids 5 in seinen Randbereichen mit dem Magnetfeld der Magnetpole 3 und 4 in Wechsel- wirkung tritt. Wird das Solenoid senkrecht zu seiner magnetischen Achse in den Luftspalt der Magnetpole hineinbewegt - wie dies in den ersten drei Ausführungen der Figuren 2 bis 4 geschieht -, so wirkt zunächst eine anziehende Kraft auf die Spule, die im Zentrum der Polflächen, bzw. bezüglich der Polachse bei Span- nungsumkehr in eine abstossende Kraft umschlägt. Bei der vierten Ausführung gemäss Figur 5 tritt ebenfalls eine anziehende Kraft auf das Solenoid auf, wenn es in Richtung der magnetischen Achse in das Magnetfeld des Erregermagneten hineinbewegt wird, welche bezüglich der Spulenenden im Bereich der Polachse verschwindet und nach Umpolen in eine abstossende Kraft umschiägt. Zur Ver- einfachung sind in den Figuren als Erregermagnete durchweg Permanentmagnete angenommen.

Figur 2 zeigt nun den Aufbau eines Kollektormotors 1 mit zwei Polpaaren. Die Solenoide 21 auf dem Rotor 22 sind äquidistant verteilt auf dessen Peripherie und stehen parallel zur Rotorachse 23. Die Erregermagnete 24 sind mittels H-förmigen Tragsegmenten 25 auf dem ruhenden Teil oder Stator 26 montiert und sind radial zur Rotorachse 23 gerichtet. Die jeweiligen Enden oder Polstellen p der Solenoide 21 werden vom Magnetfeld der Erregermagnete 24 mit deren Polachse r senk- recht zur Spulenachse durchdrungen. Die Erregermagnete 24 bestehen aus sek- torartigen Teilbelagen von einem magnetisch hochwirksamen Material (z. B. Ma- gnete aus Kobalt-Seltenen Erden) mit derselben Polarität und sind eng anliegend auf den eisernen Tragsegmenten 25 über einen Umfangswinkel von etwa 100" aufgereiht. Der magnetische Schluss erfolgt, quer zur magnetischen bzw. geome- trischen Achse der Solenoide 21, über dem Tragsegment 25 und den Luftspalt 27 azimutal über lamellierte ringförmige Eisenkerne 28, 28' auf dem antimagneti- schen Rotor 22 und den eisernen Gehäuseringen 29, 29'. Der zwischen den Ge- häuseringen 29 und 29' angeordnete Zwischenring 30 ist antimagnetisch. Die gleichgepolten Solenoide 21 auf dem Rotor 22 sind über Zuleitungen 31 mit den Lamellen eines Kollektors 32 elektrisch verbunden, auf dem Kohlebürsten 33 an den Stellen des grössten Drehmomentes anliegen.

Bei dieser Konstruktion wird jeweils nur eine Hälfte des Luftspaltes 27 zwischen den Polflächen p der Erregermagnete 24 genutzt. Die periphere Fläche der Eisen- kerne 28, 28' bildet sozusagen die Symmetrieebene. Als Ergänzung kann man den halben Pol abstand diametral gegenüber betrachten. Analog heben sich die radialen Querkräfte des Magnetfeldes auf.

Die in Weiterbildung der Erfindung vorgesehene Doppelsolenoide eignet sich spe- ziell für eine seitliche Anordnung der Erregermagnete 24, wobei das Magnetfeld parallel zur Rotor- oder Drehachse 23 ist. Eine solche Bauform, die ebenfalls einen Kollektormotor mit zwei Polpaaren der Erregermagnete 24 betrifft, ist in Fi- gur 3 dargestellt. Die Solenoide 34 mit ihren Polstellen p sind hier auf dem Rotor 35 radial zur Rotorachse 23 befestigt. Die Erregermagnete 24 sind auf dem ru-

henden Teil, beidseitig in geringem Abstand neben den Enden der Solenoide 34 befestigt, und bezüglich ihrer Polachse r-r parallel zur Rotor- oder Drehachse 23 gerichtet, wobei für eine optimale Kraftwirkung die Polachse r-r zumindest ange- nähert mit den Polstellen p übereinstimmen soll. Die Erregermagnete 24 bestehen aus sektorförmigen Teilbelagen mit derselben Polarität, analog wie in Figur 2, und sind längs der sektorförmigen Magnetträger 36 über einen Umfangswinkel von je etwa 110° aufgereiht. Der magnetische Fluss verläuft über den Luftspalt 37 und die Enden der Solenoide 34, 34' über eiserne Distanzrollen 38 und Eisenringe 39.

Die gepaarten Solenoide 34, 34' sind möglichst gleich mit ganzzahliger Lagenzahl gewickelt; dies ergibt eine einfachste Verdrahtung und keine lnduktionsschleifen.

Mittels der Anschlüsse 40 sind die Solenoidpaare 34, 34' mit dem Kollektor 41 und den Kohlebürsten 42 elektrisch verbunden, wobei die letzten wiederum an den Stellen mit dem grössten Drehmoment vorgesehen sind.

Im Prinzip können auch seitlich zu den abgewandten Polfeldern der Solenoide 34 Erregermagnete 24' angebracht sein (in Figur 3 gestrichelt dargestellt), jedoch mit umgekehrter Polarität. Sie bewirken ein zusätzliches Drehmoment bei gleichem Wicklungsaufwand. Solche Bauformen kommen besonders für grosse Rotor- durchmesser in Betracht, da hier die Länge der Solenoide 34 eine untergeordnete Rolle spielt.

Zur Vergrösserung der Kraftwirkung werden die Solenoide 21, bzw. 34 (Figuren 2 und 3) vorzugsweise als Flachspulen ausgelegt mit einer Dicke von etwa dem halben Polabstand zwischen den Erregermagneten 24, wobei das Verhältnis zwi- schen der Wickelhöhe der Drahtspule und der Kernweite etwa 1:2 betragen soll.

Der Luftabstand 37 zu den Polflächen der Erregermagnete 24 soll so klein als möglich sein, weil die Kraftwirkungen in Polnähe sich mit der Spaltweite im Ver- gleich zum Polabstand etwa quadratisch verändern, wie Messungen gezeigt haben. Die Länge der Solenoide 21, bzw 34 muss so gross sein, dass die an ihren abgewandten Enden vorhandenen Querfelder möglichst ausserhalb der jeweils wechselwirkenden Feldbündel liegen. Als Faustregel gilt für grössere Polabstände (Luftspalt) des Magnetfeldes der Erregermagnete 24: Länge I = 2. a.b, wobei a =

Abstand der Polflächen, b = Breite der Polflächen in Richtung der Spulenachsen.

Zum Beispiel ist die Länge I = 60 mm für a = 35 mm und b = 25 mm.

Figur 4 zeigt mehr schematisch den Aufbau eines Synchronmotors 1 mit sechs Polpaaren der Erregermagnete 45. Wie in Figur 3 sind die Solenoidpaare 43, 43' mit den Polstellen p auf dem Rotor 44 radial, die Erregermagnete 45 auf dem ru- henden Teil oder Stator mit den Polachsen r-r parallel zur Rotor- oder Drehachse 46 gerichtet. Die Zahl der Erregermagnete 45 ist gleich der Zahl der Solenoidpaare 43, 43' und ganzzahlig. Sie sind längs des Stator- bzw. Rotor- umfanges äquidistant in solchen Abständen plaziert, dass sich ihre eigenen Felder nicht nachteilig beeinflussen. Die Erregermagnete 45 haben die Form von Kreis- ringsegmenten und haften an gleichgeformten Konsolen 46, wobei diese über eiserne Distanzrollen 47 mit Eisenringen 48 vereinigt sind. Alle Ein- und Ausgänge 49 der Solenoidpaare 43, 43' sind je zusammengefasst und elektrisch mit Schleif- ringen 50 auf der Drehachse 46 verbunden. Der Polwechsel der Solenoide 43, 43' beim Durchgang durch das Magnetfeld der Erregermagnete 45 erfolgt bei allen Solenoide 43 gleichzeitig im Takt der den Schleifringen 50 aufgedrückten Syn- chronisierfrequenz. Die Ausführung der Doppelsolenoide 43, 43' ist gleich wie diejenigen der Figur 3.

Vorgesehen ist hier eine Eigensynchronisierung mit indirekter Ansteuerung. Ab- geleitet wird die Synchronisierfrequenz mittels eines auf der Drehachse 46 mit- laufenden Wendeschalters 51, der aus zwei Hälften mit mäanderförmig ineinander verzahnten Lamellen, die gegenseitig isoliert sind. Ihre Anzahl entspricht der azi- mutalen Polzahl der Erregermagnete 45. Zur Speisung der Solenoide 43, 43' wird von einer hochohmigen Hilfsquelle 52 mit kleiner Leistung ausgegangen, deren Ausgang über den Wendeschalter 51 im Takt der Polwechsel einen Wechsel- richter 53 steuert, dessen Ausgang mit den Schleifringen 50 verbunden ist. An- stelle der Lamelienstruktur beim Wendeschalter 51 kann auch ein optisch wirken- des, der Polzahl angepasstes Kontrastmuster für optoelektronische Abtastung vorhanden sein. Die Vorteile davon sind evident: kontaktlos und sehr kurze Schaltzeiten.

Figur 5 veranschaulicht einen Synchronmotor mit achtzehn Polpaaren und Eigen- synchronisierung. In der Draufsicht sind das Gehäuse und die rechte Rotorseite weggelassen. Die obere Hälfte zeigt die Anordnung der Solenoide 55, 55' ohne Erregermagnete und die untere Hälfte die Anordnung der Erregermagnete 56 ohne Solenoide. Die Solenoidpaare 55, 55' mit den Polstellen p sind hier auf dem ruhenden Teil, die scheibenförmigen Erregermagnete 56 mit den Polachsen r-r auf dem Rotor 57 sind parallel zur Drehachse 58 gerichtet, wie bei den Bauarten nach den Figuren 3 und 4. Der magnetische Schluss erfolgt über eiserne Distanz- rollen 59 über Eisenringe 60, die peripher auf dem antimagnetischen Rotor 57 befestigt sind. Die auf den Solenoiden 55, 55' vermerkten momentanen Polaritä- ten (N; S) kennzeichnen die erforderliche Zusammenschaltung.

Angenommen ist eine Eigensynchronisierung mit einer Schaltung analog Figur 4, die ausgelegt ist für eine optoelektronische Steuerung. Als Taktgeber dient eine mitlaufende Scheibe 61, die sektorförmige Kontrastflächen 62 trägt (z.B.

schwarz/weiss), deren Trennlinien über eine Abtastsonde 63 (Glasfaser, Endo- skop) im - hier nicht weiter dargestellten - Wechselrichter die Stromumkehr auslö- sen. Die Schaltzeiten sind unabhängig vom radialen Abstand der Sonde 63, hin- gegen muss die azimutale Position mit den Poldurchgängen der Magnetsysteme exakt übereinstimmen. Vorteilhaft ist eine azimutal verstellbare Justiervorrichtung.

Bei der gezeichneten Struktur fallen die Polstellen p an den Enden der Solenoide 55, 55' längs des Statorumfanges nicht exakt zusammen. Die Wirkung je zwei anliegender Solenoidpaare 55, 55' verdoppelt sich deshalb nicht ganz. Die Schwächung liegt je nach Statordurchmesser bei 5 bis 10%, wie Versuche gezeigt haben. Dieser Nachteil fällt dahin, wenn die Spulenlänge bogenförmig dem Sta- torradius angepasst wird. In diesem Fall ist aber auf der Aussenseite der Solenoide die Bedingung "eng gewickelt" nicht mehr vollständig erfüllt, was eine Vergrösserung der Restinduktion zur Folge hat.

Die Jochverbindungen der Erregermagnete sollen möglichst senkrecht zu den magnetischen Achsen der Solenoide verlaufen, wie dies in den Figuren 2 bis 4 deutlich dargestellt ist. Bei der Bauart gemäss der Figur 5 ist diese Bedingung nicht erfüllt. Hier können sich die Feldlinien in geringem Mass auch direkt längs der magnetischen Achsen der Solenoide schliessen. Sie heben sich auf längs der Symmetrieebene, daneben jedoch bleibt ein geringer Feldüberschuss, der in den Spulen eine unerwünschte Spannung induziert. Sie ist umso kleiner, je länger die Solenoide ausgebildet sind. Praktisch ist dieser Nachteil dadurch behoben, wenn die Erregermagnete, die den Solenoide seitlich gegenüber liegen, mittels separa- ter Joche verbunden werden.

Synchronmotoren sind zwar effizienter als Kollektormotoren, aber aufwendiger.

Ihre Leistung lässt sich mit der Anordnung von mehreren Aggregate (Ausführung gemäss den Figuren 4 und 5) radial und/oder axial beträchtlich vergrössern.

Deren gegenseitige Unabhängigkeit ermöglicht die Zuordnung ungleicher Pha- senlagen und damit den Bau von Mehrphasenmotoren, bei Eigensynchronisierung auch mit Selbstanlauf. Hiezu werden bei den einzelnen Aggregaten die Einheiten der Erregermagnete oder der Solenoide zueinander um einen kleinen räumlichen Winkel a versetzt angebracht, so dass die Poldurchgänge jeweils zeitlich ungleich erfolgen, wobei cc = 360/ (p.q), p = Polzahl azimutal, q = Zahl der Aggregate bzw.

Phasen. Beispielsweise sollte für den Dreiphasenbetrieb die Zahl der Aggregate durch drei teilbar sein. Aber auch hörere Phasenzahlen sind denkbar, maximal gleich der Anzahl Aggregate. Zur Steuerung sind auf der Scheibe 62 der Figur 5 lediglich die entsprechenden Kontrastsonden 63 anzubringen, die um den gleichen Winkel oder unter Umständen um mehrere Polabstände versetzt sind.

Jede Phase hat eine eigene Steuer- und Schaltelektronik, die über den Stromverteiler 61 mit der Drehzahl des Motors gekoppelt ist.

Speziell bei den letzten zwei Ausführungen gemäss den Figuren 4 und 5 (bei wel- chen das Magnetfeld der Erregermagnete parallel zur Drehachse ist), sind die Ag- gregate längs der Drehachse scheibenartig verschachtelt. Ein Zusammenbau von einer Vorderseite her kommt daher nur bei einer kleinen Zahl Einheiten in Be-

tracht. Für Maschinen grosser Leistung sind indessen Ausmasse ähnlich den heutigen Turbogeneratoren denkbar, d.h. mit einem grossen Rotordurchmesser und mit einer grossen Länge mit z.B. 20 bis 30 Aggregate längs der Drehachse. In diesem Fall wird mit Vorteil der Stator, ähnlich den Gas- und Dampfturbinen, längs der Drehachse in einen unteren sockelartigen Teil und einen oberen deckel artigen Tiel trennbar gemacht. Rotor und Stator lassen sich dann separat bestücken, so dass alle Bauteile frei zugänglich sind.

Da die magnetischen Achsen der Solenoide und diejenigen der Erregermagnete orthogonal zueinander stehen, wird bei der reiativen Bewegung der Solenoide durch den Luftspalt in diesen keine Spannung induziert. Das Induktionsgesetz von Faraday-Henry fällt somit ausser Betracht, allerdings nur unter der Bedingung, dass die Solenoide keine ferromagnetische Stoffe enthalten. Sonst würde das Magnetfeld der Erregermagnete zumindest teilweise in die Richtung der Spu- lenachsen umgelenkt, womit das Induktionsgesetz wieder wirksam würde. Falls die Erregermagnete auch elektrische Spulen aufweisen, könnte dort eine geringe Wechselspannung entstehen. Ein allfälliger Leistungsverlust lässt sich aber leicht durch Vorschalten von Drosselspulen verhindern. Das Motorprinzip ist irreversibel.

Eine minimale Restinduktion (vorwiegend in der Form von Oberwellen) kann auf- treten infolge der Krümmung der Feldlinien im Streubereich des Magnetfeldes der Erregermagnete. Sie ist kleiner bei jenen Bauarten, bei denen das orthogonale Kreuz der magnetischen Achsen der Erregermagnete im Luftspalt und der So- Solenoide zugleich senkrecht zur Drehachse des Rotors steht (ein sogenanntes "Dreibein" bilden, vgl. Figuren 2 bis 4), da hier jeweils nur die Enden der Solenoide das Magnetfeld durchlaufen. Bei der tangentialen Anordnung der Figur 5 durch- läuft jedoch die volle Spulenlänge das Magnetfeld. Bei sorgfältig und eng gewickelten Solenoide ist dieser Nebeneffekt jedoch vernachlässigbar klein, wie Messungen ergeben haben.

Die auf den Rotor wirkenden Feld kräfte hangen nur von der Stärke und vom Aus- mass der im Luftspalt wechselwirkenden Feldbündel ab, bei gegebener Konfigu-

ration nur vom Strombelag längs der Solenoide. Die effektive Leistung zur Spei- sung des Motors ist allein durch 1 2R bestimmt (I = Spulenstrom, R = Spulenwider- stand). Mit der Wahl des Drahtmaterials für die Solenoide lässt sich daher der je- weils erforderliche Leistungsaufwand massgebend beeinflussen. Für Solenoide oder Drahtspulen aus Kupferdraht kommt man z.B. bei 7 A/mm2 Stromdichte auf rund 100 Watt Verlustleistung pro kg Kupfergewicht. Bei supraleitendem Material kann dagegen der ohmsche Leistungsbedarf auf einen Bruchteil jenes Wertes fallen.

Die Leistungsabgabe des Motors 1 ist bestimmt durch das Produkt aus Drehmo- ment und Winkelgeschwindigkeit, bzw. Umfangskraft und Umfangsgeschwindig- keit des Rotors. Bei konventioneller Ausführung der Solenoide sind die erzielbaren Feldkräfte relativ klein. Dafür besteht die Möglichkeit einer sehr hohen Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit. Die erfindungsgemässen magnetodynamischen Motoren 1 sind Schnelläufer. Dies bedingt kleine Reibungs- und Wirbelstromver- luste. Massnahmen hiezu sind beispielsweise Verschalen des Rotors, Innenpol- ausführung, lamellierte Metallteile u.a.m.

Die Wirkungsweise des beschriebenen magnetodynamischen Motors 1 ist ein rein magnetisches Phänomen. Dabei erfüllen die Solenoide nebst der Erzeugung der erforderlichen Querfelder an den Enden bezüglich der dauernden Feldumpolung gewissermassen die Funktion eines verlustlosen Wechselschalters (was mecha- nisch nicht möglich ist). Die Kraftwirkungen und damit das Drehmoment des Mo- tors wurden verschiedentlich experimentell verifiziert, jedoch konnte die Herkunft der Energie nicht ermittelt werden. Denkt man sich beispielsweise einen Motor mit Permanentmagneten bestückt und die Solenoide aus supraleitendem Material, so ist die abgegebene mechanische Leistung mit Sicherheit grösser als die elektri- sche Energie zur Erzeugung der wechselwirkenden Feld kräfte. Die Magnetfelder selber verbrauchen keine Energie, sie bewirken lediglich die Umsetzung jener Energie in eine mechanische. Nach den Gesetzen von Biot-Savart und Faraday- Henry müsste man die magnetischen Kraftwirkungen jenen stromdurchflossene- nen Drahtwindungen zuordnen, in denen die Restinduktion entsteht. Eine soiche

Annahme impliziert, dass die Querfelder an den Enden der Solenoide unwirksam wären, was den Tatsachen widerspricht. Die Restinduktion bleibt ein Nebeneffekt, der durch gezielte Massnahmen (eng gewickelte Spulen, eventuell spezielle Pol- formen der Erregermagnete) unbedeutend zu halten ist.

Die Effizienz des erfindungsgemässen magnetodynamischen Motors 1 basiert im Prinzip auf der Anisotropie der beteiligten Magnetfelder. Infolge der Streufelder der Erregermagnete lassen sich die einzelnen Magnetsysteme nicht beliebig ver- grössern. Höhere Motorleistungen erfordern daher eine entsprechend grössere Zahl solcher Einheiten. Indessen bestehen Möglichkeiten zur Optimierung der Feld kräfte gegenüber dem Magnetisierungsaufwand. Massgebend hiefür sind unter anderem die Länge der Solenoide sowie deren Querabmessungen samt Weite des Luftspaltes der Erregermagnete, die experimentell ermittelt werden können.

Die Wahl der Stromdichte in den Solenoiden ist ein Kompromiss zwischen Auf- wand und zulässiger Verlustleistung bzw. Wärmebelastung. Bei normalen Spulen noch zulässige Werte dürften im Bereich von 5 bis 7 A/mm2 liegen, wobei die Verluste etwa 12 bis 17 % der Bruttoieistung des Motors ausmachen. Aufgrund dessen ist jedes Solenoid im Magnetfeld der Erregermagnete mit bestimmten messbaren Kraftwirkungen behaftet, deren peripherer Mittelwert, quasi als Ma- schinenkonstante, massgebend zur Berechnung der für eine bestimmte Motorlei- stung jeweils nötigen Anzahl Spulen- bzw. Antriebseinheiten ist. Ein Zahlenbei- spiel für eine Ausführung eines Synchronmotors gemäss Figur 4 soll dies verdeut- lichen: Bauform Innenpolmaschine Erregerfeld Permanentmagnete Polzahl azimutal 24 Anzahl Statorscheiben (Spulenträger) 12 Anzahl Rotorscheiben (Magnetträger) 13 Anzahl Spulenpaare 288

mittlerer Rotordurchmesser 540 mm aktive Rotorlänge 720 mm mittlere Zugkraft je Spulenpaar min. 50 g mittlere Zugkraft (gesamthaft) 14,4 kg Drehzahl 6000 U/Minute mittlere Umfangsgeschwindigkeit 170 m/s Synchronisierfrequenz 1200 Hz Motorleistung brutto 24 kW Gewicht der Solenoide 43.2 kg Stromdichte der Solenoide 6 A/mm2 Kupferverluste der Solenoide (60"C) 3,5 kW Motorleistung netto ca. 20,5 kW Wirkungsgrad intern 85,4 % Wirkungsgrad extern 585 % Q-Wert der Solenoide (60°C) ca. 4 Der externe Wirkungsgrad ist etwas kleiner, da von der Nettoleistung noch die Reibungs- und Wirbeistromverluste in Abzug kommen. Die angegebenen Zug- kräfte beruhen auf Messwerten. Anhand dieses Beispiels erkennt man die Vorteile des erfindungsgemässen Motors, speziell für Kieinantriebe, z.B. für Autos, Wär- mepumpen, Generatoren. Aber auch grössere Einheiten mit bis gegen 1000 kW Bruttoleistung sind denkbar mit Ausmassen ähnlich den heutigen Turbogenerato- ren. Die internen Wirkungsgrade dürften 80 bis 90% betragen. Hierbei ist aller- dings eine spezielle Kühlung der Solenoide erforderlich. Eine einfache Möglichkeit besteht beispielsweise in der Wärmeabfuhr mittels Kühlelemente in den Spulen- körpern, wobei die Kühleiemente selbst Träger der Drahtspulen sein können.

Bei höheren Drehzahlen bzw. Betriebsfrequenzen wird der Strom in den Solenoide bei konstanter Speisespannung ausser vom ohmschen Widerstand auch von deren Reaktanz beeinflusst. Ein Kriterium hiefür ist der sog. Q-Wert der Spulen, d.h. das Verhältnis des jeweiligen Blindwiderstandes zum ohmschen Widerstand. Bei tiefen Frequenzen ist dieser Wert unbedeutend klein, aber schon oberhalb 300 Hz können der Betriebsstrom und damit die Antriebskraft des Motors

merkbar beeinfiusst werden. Für ein optimales Drehmoment sind daher Mass- nahmen erforderlich, so dass zumindest im Betriebsbereich der erforderliche Spulenstrom erhalten bleibt, wozu im Prinzip verschiedene Möglichkeiten beste- hen. Eine einfache, beispielsweise bei der Hilfsphase bei Einphasen-lnduktions- motoren gängige Methode ist Vorschalten eines Seriekondensators, der auch variabel sein kann, u.U. mit Kurzschluss im Anlaufbereich. Die Drehzahl richtet sich dann nach der relativ stabilen Resonanzfrequenz des so gebildeten Reihen- schwingkreises, da hier nur der Ohmsche Widerstand wirkt und der Betriebsstrom bzw. das Drehmoment den maximalen Wert annimmt. Im Leerlauf des Motors liegt jene gerade soviel darüber, dass bei den vorhandenen Impedanz- und Pha- senlagen die Reibungs- und Wirbelstromverluste noch gedeckt sind. Es kann dies ein für alle Spulen gemeinsamer Kondensator in der Speiseleitung ausserhalb des Motors sein (in den Figuren nicht dargestellt). Die Kapazität richtet sich nach der jeweiligen Zusammenschaltung der Solenoide. Sind beispielsweise die 48 Spulen pro Statorscheibe des obigen Beispiels in Serie und die Impedanzen der 12 Scheiben parallel geschaltet, so beträgt jene etwa 12 IlF. Der angegebene Q-Wert von ca. 4 bei 1200 Hz ist typisch für die hier in Betracht kommenden Drahtspulen.

Eine weitere Methode ist das Anlegen einer Spannung, abgeleitet mittels eines konventionellen Generators auf gleicher Welle und gleicher Polzahl wie sie der Motor hat, entweder als Steuersignal oder leistungsstark für direkte Einspeisung.

In beiden Fällen steigt diese Spannung proportional mit der Drehzahl, bzw. der auftretenden Frequenz. Andererseits sinkt der Spulenstrom bei höheren Q-Werten (Q 2 2) bezüglich der angelegten Spannung praktisch reziprok zur Betriebs- frequenz. Mit der obenerwähnten Generatorspannung erhält man daher einen von der jeweiligen Betriebsfrequenz bzw. Drehzahl nahezu unabhängigen Magnetisie- rungsstrom in den Solenoiden oder Spulen. Hierbei wird effektiv das Erreger- Gleichfeld des konventionellen Generators in ein nur von Maschinenkonstanten abhängiges Wechselfeld transponiert! Die Herstellung eines genügend leistungsstarken Generators dürfte bei den relativ hohen Betriebsfrequenzen wegen der Wirbelstromverluste problematisch sein. Bei

der Variante anhand eines Steuersignals ist lediglich ein linearer Verstärker erfor- derlich, der allerdings einen genügend hohen Aussteuerbereich haben muss, eine anhand der heutigen Leistungselektronik unschwer lösbare Aufgabe. Die maxi- male Drehzahl des Motors ist hier durch die Dynamik des Verstärkers bestimmt.

Zur Ansteuerung des Verstärkers genügen Spannungen von etwa 1 Volt. Dem- gemäss einfach ist auch der Aufbau des Generators, bestehend aus einem Kranz abwechselnd gepolter Permanentmagnete auf dem rotierenden Teil und, diesem gegenüber in angemessenen Luftabstand auf dem festen Teil, einem Kranz ab- wechselnd gepolter Induktionsspulen, der zwecks Einstellung des optimalen Drehmomentes um einen gewissen Winkel verstellt werden kann, manuell oder automatisch.

Die Generatorspannung kann via Verstärker auch zur Speisung der Solenoide mit Seriekapazität dienen. Hierbei wäre die mit der Drehzahl proportionale Span- nungsznahme durch Begrenzung oder Gegenkopplung im Verstärker auf ein trag- bares Mass zu reduzieren.

Supraieitende Solenoide sind in ihrer Wirkung ebenso an Gesetzmässigkeiten gebunden, wie sie für gewöhnliche Spulen bestehen. Indessen ermöglicht die hohe Stromdichte eine wesentlich kompaktere Bauweise, z.B. Reduktion der Spule auf eine einzige Lage, die aber eine gewisse Länge haben und eng gewik- kelt sein muss (mit der Zwillingsspule in Serie, keine lnduktionsschleife), demge- mäss kleinere Polabstände der Erregermagnete und grössere Feldstärke. Die op- timalen Abmessungen sind, wie bei den normalen Spulen, experimentell zu be- stimmen. Auch die verschiedenen Möglichkeiten der Einspeisung sind theoretisch und experimentell gegeneinander abzuwägen, wobei u.a. die bei den hohen Strömen auftretende Blindleistung eine wichtige Rolle spielen dürfte. Eventuell ist eine zusätzliche Dämpfung erforderlich. Denkbar ist auch der Einsatz supraleiten- der Erregerspulen, soweit dies ökonomisch vertretbar ist.

Supraleitende Spulen kommen in erster Linie für Grossmaschinen in Betracht. Bei geschickter Dimensionierung sollten pro Spule etwa zehnmal grössere Zugkräfte möglich sein als mit gewöhnlichen Spulen. Zu erwarten ist somit eine beachtliche Steigerung der Effizient Die erzielbaren Leistungen dürften im Bereich von 1 bis 10 MW liegen.

Die Anforderungen an die Speisegeräte sind vielseitig. Koliektormotoren benöti- gen eine Gleichstromquelle. Bei den Synchronmotoren sind zwei Arten möglich: Eigen- oder Fremdsynchronisierung. In beiden Fällen ist eine Frequenzaufberei- tung erforderlich. Im ersten Fall kann dies mittels eines mechanischen oder opti- schen Schalters auf der Motorachse geschehen, welcher die Solenoide direkt oder via einen Hilfskreis über einen Wechseirichter steuert Denkbar ist aber auch ein konventioneller Generator auf gleicher Welle und gleicher Polzahl wie sie der Motor hat, zB zur Herleitung eines Steuersignals oder leistungsstark für direkte Einspeisung. Die höchste Betnebsfre7uenz dürfte bei 2 kHz liegen Fremdsyn- chronisierung bedingt einen Frequenzumsetzer entsprechend der vorgegebenen Drehzahl des Motors und einen Anwurfamotor. Kollektorbetrieb und allenfalls Eigensynchronisierung ermöglichen Selbstanlauf. Jede Betriebsart hat ihre Vor- und Nachteile. Auch das Leistungsvolumen bzw. Leistungsgewicht samt Kosten- aufwand dürften eine Rolle spielen.