Mit dem Erfindungsgegenstand konstruktiv vergleichbare Motoren sind vorwie- gend im vorletzten Jahrhundert entstanden, beschrieben z. B. im Lehrbuch von O.

Multhaupt"Die Moderne Elektrizität" (S. 152-203) mit Nachträgen von J.

Zacharias, Reinhold Schwarz Verlag, Berlin (ca. 1905) und ferner, wesensver- wandt, im Artikel von A. Imhof"Die ersten 50 Jahre der Dynamomaschine. Ein historischer Überblick", Bulletin SEV/VSE, Nr. 69 (1978) H. 20, S. 1108-1114, mit weiteren Literaturangaben. Die Entwicklung und Fabrikation der heutigen elektri- schen Maschinen begann mit der Erfindung des Trommelankers um 1872.

Alle diese Konstruktionen beruhen im Prinzip auf den Gesetzen von Biot-Savart (1830) und Faraday-Henry (1832) betreffend die Kraftwirkung auf stromdurch- flossen Leiter im Magnetfeld und die elektromagnetische Induktion. Durch die Kombination mit ferromagnetischem Material werden die Feldkräfte um ein Vielfa- ches verstärkt. Damit lassen sich in geringem Bauvolumen beachtliche Leistungen umsetzen. Grundsätzlich kann jede Maschine sowohl als Motor wie als Generator arbeiten. Das Konzept ist reversibel. In beiden Fällen tritt jedoch durch das kom- plementäre Gesetz eine Bremswirkung auf. Die motorische und die gene- ratorische Wirkung stehen in einem dualen Verhältnis, so dass schliesslich beim Elektromotor die generatorische Wirkung und beim Generator die motorische Wir- kung dominiert. Das Wechselspiel der beiden bewirkt, dass höchstens soviel Lei- stung umgesetzt wird als elektrische oder mechanische zugeführt wird. Die Ma- gnetfelder dienen lediglich als Translator, verbrauchen selber aber keine Energie.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen Motor zu schaffen, bei dem das durch die wechselseitigen magnetischen Feldkräfte bewirkte Drehmoment weitgehend unabhängig von der Drehzahl erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird durch den magnetodynamischen Motor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es eine'motorische Wechselwirkung zwischen magnetischen Feldkräften gibt, die von den Gesetzen von Biot-Savart und Faraday-Henry unabhängig ist.

Die erfinderischen Massnahmen zur Erzielung der motorischen Wirkung werden nachstehend in mehreren Schritten erklärt und die Konzeption des neuartigen Motors anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher er- läutert. Es zeigt : Fig. 1 die Separierung des Feldes zwischen den Polen eines Erregerma- gneten in drei Bereiche mit verschiedenen Eigenschaften, Fig. 2 die Kombination von zwei gleichen Erregermagneten in angemesse- nem Abstand, verbunden durch einen längs bewegbaren Querträger mit an den Enden angebrachten Arbeitsmagneten als Vorläufer eines verlustfreien mechanischen Polwechslers (Typ I), Fig. 3 die Kombination von zwei gleichen Erregermagneten in angemesse- nem Abstand, verbunden durch einen um die Längsachse drehbaren Querträger mit an den Enden angebrachten Arbeitsmagneten als zweite Möglichkeit eines verlustfreien mechanischen Polwechslers (Typ II), Fig. 4 die Kombination von zwei gleichen Erregermagneten gemäss Fig. 2 mit ringförmigen Polsegmenten und diametrischem Querträger, wobei die Kompensation der beim Polwechsel bewirkten Feldkräfte sowohl in radialer Richtung als auch in azimutaler Richtung vorhanden ist,

Fig. 5 das Konzept gemäss Fig. 4, angeordnet in ungleichen radialen Ab- ständen, wobei die Kraftwirkungen sich allerseits ebenso aufheben wie dort, nicht aber die Drehmomente. Jenes mit dem grösseren Ra- dius überwiegt im Verhältnis der gewählten Radien ; in Verbindung mit dem Polwechsel entsteht ein gleichgerichtetes Drehmoment, Fig. 6 die Anordnung von zwei Magnetsystemen gemäss Fig. 5 längs zwei diametrisch gegenüberliegenden Radien ; die angegebenen Polaritä- ten bewirken eine additive Überlagerung der einzelnen Drehmomente (experimentell erprobt), Fig. 7 den Aufbau eines Motors (Typ I) mit vier azimutalen Erregersystemen und acht radialen Polwechsler mit Dauermagneten, mechanisch ge- steuert mittels Kurbelgetriebe, Fig. 8 den Aufbau eines Motors (Typ II) nach dem Konzept gemäss Fig. 3 mit vier Erregersystemen und sechs drehbaren Polwendern, Fig. 9 den Aufbau eines Motors (Typ i i i) in scheibenförmiger Bauart mit seit- lich je vier Erregersystemen und acht radialen Spulenmagneten für ei- ne elektronische Steuerung, Fig. 10 den Aufbau eines Motors (Typ ! ii) in koaxialer Bauart mit vier azimut- len Erregersystemen und acht radialen Spulenmagneten für eine elektronische Steuerung, und Fig. 11 ein Blockschaltbild bezüglich Betrieb eines Synchronmotors gemäss Fig. 9 bzw. Fig. 10, speziell geeignet für den mobilen Einsatz ; elektro- nisch gesteuert mittels Wechselrichter.

Schrittweise werden nunmehr die funktionellen Neuerungen und die damit ver- bundenen magnetischen Wechselwirkungen anhand der Figuren 1 bis 11 einge- hend beschrieben. Hierbei sind für dieselben Elemente jeweils dieselben Bezugs- zeichen verwendet, wenn nicht anders angegeben.

Das Prinziip des vorliegenden magnetodynamischen Motors iasst sich anhand der Darstellungen in den Figuren 1 bis 6 genau erklären.

Figur 1 zeigt die charakteristische Feldverteilung zwischen zwei hinsichtlich den Querabmessungen langgestreckten gegengepolten Polschuhen 101 eines Permanent-oder Elektromagneten 100, die in einem gleichbleibenden Abstand 102 zueinander angeordnet sind-oben in Obenansicht, unten in Draufsicht. Bezüglich der Mittelebene M kann man die Feldverteilung im Prinzip in drei Wirkungsbereiche A, B, und C separieren. Im Bereich A ist die Feldverteilung in der Längsrichtung nahezu konstant, in den Bereichen B eher diffus und in C mit abneh- mender Stärke vorwiegend längsgerichtet. Daher wirken auf einen im Polfeld befindlichen ferromagnetischen Gegenstand (z. B. Perma- nentmagnet)-hier nicht dargestellt-im Bereich A nur Querkräfte (anziehend oder abstossend, je nach Polaritäten), in den Gebieten B Quer-und Längskräfte und in C vorwiegend nur Längskräfte. Die Längsform der Polschuhe 101 spielt dabei keine Rolle ; sie kann auch gekrümmt sein, z. B. kreisförmig. Bei konstantem Polflächenstand oder Luftspalt 102 besteht ein leichtes Feldmaximum in der Längsmitte bei Flächenerregung mittels Dauermagnete, dagegen kann bei Joch- erregung ein Feldmaximum an den Polschuhenden auftreten. Die Angleichung der Feldstruktur bei Spulenmagneten an die funktionell vorteilhaftere der Permanentmagnete ist durch einfache Massnahmen leicht möglich.

Fig. 2 zeigt die Zuordnung in angemessenem Abstand eines zweiten völlig gleichen Magneten gemäss Fig. 1, mit 1 und 2 bezeichnet. Zwischen beiden Magneten 1 und 2 ist in der Mitte des A-Bereiches in antima- gnetischer Querträger 3 vorgesehen, der an seinen Enden je in einem bestimmten Abstand zwei bezüglich der gleichgepolten Magnete 1 und 2 gegengepolte Magnete 4 bzw. 5 mit identischen Abmessungen aufweist und in Halterungen 6 in der Längsrichtung gegenüber den Magneten 1 und 2 zumindest in dem durch den Abstand der Magnete 4 bzw. 5 fixierten Bereich hin-und herschiebbar sind. Das Experiment zeigt (wobei 1 und 2 Elektromagnete, 4 und 5 Permanentmagnete), dass bei dieser Konstellation der Querträger 3, abgesehen von Rei- bungsverlusten, sich ohne Kraft-und Arbeitsaufwand hin-und her- schieben lässt. Sämtliche Wirkungskräfte heben sich in jeder Lage des Querträgers 3 weitgehend auf, wie wenn keine Magnetfelder vorhanden wären. Dargestellt sind drei Positionen des Querträgers 3, in den Figuren 2a und 2c in den beiden Endlagen, in der Figur 2b in der Mittellage. Im Prinzip entsteht dieser Effekt schon mit je einem gegengepolten Magneten 4 bzw. 5 an den Trägerenden. Je zwei ge- gengepolte Magnete ermöglichen zugleich den motorisch erforderli- chen Polwechsel (siehe weiter unten).

Fig. 3 zeigt im Prinzip die Anordnung nach Fig. 2 mit den gleichgepolten Er- regermagneten 1a, 2a sowie 1b, 2b. Die Erregermagnete 1a und 1b bzw. 2a und 2b sind wiederum über ein nicht-dargestelltes Joch mit- einander verbunden. Anstelle des Querträgers 3 befindet sich jedoch eine um mindestens 180° drehbare Welle 7, in Halterungen 8 fixiert, an deren Enden bezüglich der Mitte des Luftspaltes der Erreger- magnete vorzugsweise zylindrische Dauermagnete oder Magnetkol- ben 9 und 10 angebracht sind, die diametrisch magnetisiert und ge- gengepolt sind. Beim Drehen der Welle 7-in Fig. 3 in der mit A/2 be- zeichneten Mitte des A-Bereiches dargestellt-heben sich ebenfalls in

jeder Winkellage die wechselseitigen Kraftwirkungen auf (analog ge- mäss Fig. 2).

Die angegebenen Polaritäten beziehen sich auf die jeweils einander zugewandten Polflächen. Die Zuordnung ist reziprok : eine sinngemä- sse Vertauschung ergibt das gleiche Verhalten.

Fig. 4 zeigt das Konzept gemäss Fig. 2 mit kreisförmigen Polsegmenten 11 und 12. Anstelle des Querträgers 3 (Fig. 2) ist hier ein Diametralträger 13 auf einer Scheibe 14 in der Längsmitte sowohl in einer Führung 15 radial verschiebbar als auch um eine Achse 16 drehbar angeordnet, so dass sich die magnetischen Kraftwirkungen an den Trägerenden sowohl in radialer als auch in der für die motorische Anwendung be- sonders wichtigen azimutalen Richtung beobachten lassen. Dabei ist die Achse 16 auf der Scheibe 14 befestigt, die als Gleitunterlage für den Diametralträger 13 dient. Der magnetisch azimutal inaktive Be- reich ist analog Fig. 2 mit A bezeichnet. Dargestellt ist der Bewe- gungsvorgang des Diametralträgers 13 in fünf Positionen, wobei eine Drehung im Uhrzeigersinn angenommen ist, nämlich vor dem Eintritt zwischen die Polsegmente der Erregermagnete (Pos. a), nach dem Eintritt in den A-Bereich mit Beginn der radialen Verschiebung (Pos. b), in der Mitte des A-Bereiches nach der halben radialen Bewegung (Pos. c), vor dem Ende des A-Bereiches in der anderen radialen Endlage (Pos. d) und schliesslich nach dem Austritt aus dem Erre- gerfeld (Pos. e).

Das Experiment offenbart, dass sich beim Verschieben des Trägers 13 die radia- len Kraftwirkungen ebenso aufheben wie bei der Anordnung nach Fig. 2, darüber hinaus aber beim Drehen des Diametralträgers 13 um die Achse 16 auch die azi- muta) en Kräfte an den Polbogenenden. Oder umgekehrt : sind die radialen ma- gnetischen Kraftwirkungen an den Enden des Diametralträgers 13 so auf einander abgestimmt, dass sich dieser in radialer Richtung kraftlos hin-und herschieben

lässt, dann sind jeweils auch die azimutalen Kraftwirkungen an den Enden der Polbogen zumindest unter sich entgegengesetzt gleich gross.

Dieses Konzept ist motorisch prinzipiell nicht funktionsfähig. Jedoch ist dieses an sich elementare Verhalten bei der vorliegenden Erfindung von eminenter Bedeu- tung.

Fig. 5 zeigt den Einbau des in Fig. 4 auf den Durchmesser bezogenen Kon- zeptes längs des Radius des betreffenden Systems. Der innere Erre- germagnet 18 hat von der Drehachse 16 der Scheibe 17 den mittleren Abstand r,, der äussere Erregermagnet 19 den mittleren Abstand r2.

Die azimutal inaktiven Bereiche sind wiederum mit A bezeichnet, wo- bei die Sektorlänge des Erregermagneten 18 entsprechend dem Ra- dienunterschied kürzer ist als die Sektorlänge des Erregermagneten 19 mit dem grösseren Radius. Auch die azimutalen Ausmasse der auf dem Radialträger 20 nunmehr bezüglich der Radien rl, r2 ange- brachten Arbeitsmagnete 21 und 22 sind dem Verhältnis r'/r2 ange- passt. Demnach bildet der innere Erregermagnet 18 mit den Arbeits- magneten 21 ein erstes Teilsystem und der äusser Erregermagnet 19 mit den Arbeitsmagneten 22 ein zweites Teilsystem. Der Radialträger 20 ist analog Fig. 4 in den Positionen a)... e) dargestellt mit den glei- chen Funktionen wie dort beschrieben.

Das Experiment zeigt (mit Permanentmagneten auf dem Radialträger und dem inneren Erregermagnet, aussen Elektromagnet), dass bei Abgleichung des äusse- ren Erregerfeldes auf das innere bezüglich konträre radialer Kräfteparität sich der Radialträger 20 radial ebenso leistungslos hin-und herschieben lässt wie bei den Anordnungen gemäss den Fig. 2 und 4. Nach dem Befund nach Fig. 4 sind als- dann auch die azimutalen Kraftwirkungen entgegengesetzt gleich gross. Für die motorische Wirkung sind jedoch nicht die azimutalen Kräfte sondern die bewirkten gegenläufigen Drehmomente massgebend und diese heben sich, speziell an den Enden der Polbogen, wegen des ungleichen Radienabstandes nicht mehr auf.

Das äussere Drehmoment M2 überwiegt gegenüber dem inneren Drehmoment M, an jedem Polbogenende des äusseren Systems im Mittel um den Betrag AM = M2-M1 = M2 (1-rt/r2). Die anziehende Kraft beim Feldeintritt (Pos. a) geht beim Polwechsel (Pos. c) in eine abstossende Kraft beim Feldaustritt (Pos. e) über ; das System erfährt eine dauernde gleichgerichtete Drehbewegung. Das Differenz-Drehmoment ist umso grösser je kleiner das Verhältnis r1/r2 ist. Infolge remanenter Kraftwirkungen kann die anziehende Kraft grösser sein als die absto- ssende, was jedoch auf den Mittelwert keinen Einfluss hat.

Die dominante Rolle spielt der praktisch leistungslose Polwechsel innerhalb des azimutal inaktiven A-Bereiches. Das aufgezeichnete mechanische Konzept ersetzt funktionell vollauf den bei den konventionellen elektrischen Maschinen mit dem Induktionsgesetz behafteten elektrischen Polwechsel. Die Art der mechanischen Betätigung spielt dabei keine Rolle. Sie hat auf das Drehmoment direkt keinen Einfluss, da die Bewegung des Polwechslers zur Drehrichtung senkrecht verläuft.

Möglichkeiten sind z. B. eine Steuerung mittels der Drehbewegung der Rotor- scheibe, eine Relaissteuerung usw.

Mit der Anordnung mehrerer solcher Magnetsysteme längs des Umfanges der Rotorscheibe erhält man leicht ein grösseres Antriebsmoment. Sie lassen sich bei sinngemässer Ausrichtung der einzelnen Polaritäten vorteilhaft kombinieren. Hier- zu werden eine gerade Anzahl Erregersysteme äquidistant platziert und abwech- selnd gepolt. Damit wechseln die Arbeitsmagnete längs der Pollücken im Sinne der Drehrichtung automatisch von einem abstossenden in einen anziehenden Be- reich. Das hierbei bewirkte Antriebsmoment hat offensichtlich bei einer be- stimmten Lückenlänge ein Maximum, welches in Verbindung mit den übrigen Ab- messungen experimentell bestimmt werden muss. Im Prinzip sind die Erreger- systeme infolge des geschlossenen magnetischen Feldflusses funktionell autark.

Die Zahl der Radialträger kann daher von jener der Erregersysteme auch ver- schieden sein, vorzugsweise grösser soweit dies die mechanischen Verhältnisse

zulassen. Das Gesamtdrehmoment steigt proportional mit dem Produkt PQ, wo- bei P = Zahl der Pollücken, Q = Zahl der Radialträger mit den Arbeitsmagneten an den Trägerenden.

Fig. 6 zeigt schematisch das prinzipielle Vorgehen anhand von zwei glei- chen diametrisch beidseits der Rotordrehachse 16 angeordneten als Stator ausgebildeten Magnetsystemen 18 und 19. Der radiale Schie- beprozess des diametrischen Radialträgers 20 bleibt der gleiche wie der bei den Anordnungen nach Fig. 4 bzw. 5. Dargestellt ist die Stel- lung des radialen Trägers 20 vor dem Feldeintritt (Pos. a), im azimutal ineffizienten Schaltbereich (Pos. b, d) und nach dem Feldaustritt (Pos. e). Anhand der eingetragenen Polaritäten-bezüglich der jeweils zuge- wandten Polflächen-erkennt man die additive Überlagerung der Feld- kräfte längs der Pollücken, die hier pro Umlauf des Rotors 17 eine Verachtfachung des Differenz-Drehmomentes bezüglich der einzelnen Polbogenenden bewirkt.

Mit der erläuterten Funktion des Motors engstens verknüpft ist die Art der Radial- steuerung. Im Prinzip darf der Polwechsel nur in den azimutal inaktiven Bereichen der Erregersegmente erfolgen. Die Arbeitsmagnete durchlaufen längs des Roto- rumfanges bezüglich Radialbewegung etwa eine Trapezkurve. Relaissteuerungen eignen sich daher, wie das Experiment zeigt, wegen der jenen anhaftenden Re- tardierungszeit und der drehzahlabhängigen Kontaktdauer der Stromzufuhr nur für kleine, durch diese beiden Grosse selektiv bestimmte Drehzahlen. Spezielle Abmessungen des Erregersystems ermöglichen indessen die Trapezkurve einer Sinuskurve anzunähern, die eine harmonische Steuerung zulässt. Hierbei ist jede der längs des Rotorumfanges äquidistanten Polteilungen zumindest angenähert zu 2/3 den Polsegmenten und 1/3 den Pollücken zugeteilt. Ferner sind die Ar- beitsmagnete radial etwas länger gewahlt (ca. 15%) als die Breite der Polseg- mente. Die maximale Elongation der so gebildeten Sinuskurve liegt in den Pollük- ken, der schnelle Nulidurchgang in der Längsmitte der Polsegmente. Die Steue-

rung erfolgt z. B. mittels Synchrongetriebe und Kurbelantrieb, der für höhere Dreh- zahlen geeignet ist.

Fig. 7 illustriert den Aufbau eines magnetodynamischen Motors mit je vier Erregermagneten resp. Polpaarsegmenten 25a, 25b. Die Rotor- scheibe 26 auf der Drehachse 27 trägt acht Radialträger 28 mit den Arbeitsmagneten 29a, 29b, angeordnet in unterschiedlich radialen Abständen von der Motorachse 27. Die harmonische Bewegung der Radialträger 28 bewirkt ein zentrales, fest mit dem Erregersystem verbundenes Zahnrad 30, das bei der Drehung der Scheibe 26 auf dieser montierte Satelliten-Zahnräder 31 treibt. An diesen sind in ei- nem radialen Kurbelabstand 32 gemäss der Amplitude der periodi- schen Bewegung Schubstangen 33 befestigt, die über Gelenke 34 die Radialträger 28 in Führungen 35 und 36 und damit die Arbeitsma- gnete 29a, 29b harmonisch radial hin-und herbewegen. Das Durch- messerverhältnis der Zahnräder 30,31 ist mit 1 : 2 so gewählt und der Eingriff der Zahnräder so positioniert, dass beim Umlauf der Zahnrä- der 31 längs des Umfanges des Triebrades 30 die maximale Auslen- kung stets längs der Pollücken und der schnelle Polwechsel im azi- mutalen inaktiven Bereich der Polpaarsegmenten 25a, 25b erfolgt.

Beim Zahnradgetriebe wichtig ist nur das Durchmesserverhältnis d2/d1 = 2/n, wo- bei n = Zahl der Polpaarsegmente ; die Grosse selbst spielt keine Rolle. In der Grundausführung ist die Zahl der Radialträger 28 gleich der Anzahl Polpaar- segmente resp. Pollücken 25a, 25b. Eine grössere Anzahl Radialträger kann in- dessen soweit möglich als Satelliten-Zahnräder längs des Umfangs des Triebra- des platziert werden ; beim obgenannten Beispiel sind es doppelt so viele. Beim Lauf der Rotorscheibe können durch die radiale Bewegung der Radialträger zen- trifugale Asymmetrien entstehen. Sie heben sich vollständig auf falls die Zahl der Polpaarsegmente ein Vielfaches von vier beträgt. Erwünscht ist ferner eine ange-

messene Schwungmasse der Rotorscheibe, deren kinetische Energie die magne- tisch inaktiven Bereiche beim Polwechsel überbrückt.

Fig. 8 zeigt schematisch den Aufbau eines magnetodynamischen Motors- rechts in Obenansicht, links perspektivisch in Draufsicht-gemäss dem Konzept nach Fig. 3 mit je vier Erregermagneten 41,42 in un- gleichen Radienabständen von der Rotorachse 43 (zur Vereinfachung ohne magnetische Jochverbindungen und dem mechanischen Zube- hör). Sechs radiale, in Halterungen 44 um ihre Längsachse drehbare Steuerorgane 45 tragen je zwei in Querrichtung magnetisierte Zylin- dermagnete oder Magnetkolben 46,47 in Wechselwirkung mit den Er- regermagneten 41,42. Die Steuerung erfolgt mittels des auf dem Er- regersystem (Stator) montierten Kronenrades 48 und den mit diesem im Eingriff stehenden Zahnräder 49 auf der Achse der Steuerorgane 45. Die Zähnezahlen im Verhältnis 1 : 2 und deren Eingriff sind so ge- wähit, dass pro Polteilung die Zylindermagnete exakt eine halbe Um- drehung erfahren und der Polwechsel vorwiegend im azimutal inakti- ven Bereich der Erregermagnete erfolgt. Bei der in Fig. 8 gezeichne- ten gleichförmigen Bewegung ist dies nur zum Teil der Fall. Eine ge- wisse Verbesserung ergibt sich, wie angedeutet, bei der Quermagne- tisierung der Zylindermagnete durch eine Schrägstellung 50 längs der Zylinderachse, eventuell mit kleineren Pollücken. Effizienter wirken in- dessen Getriebe mit einer ungleichförmigen Bewegung, z. B. ein Kur- belantrieb analog wie in Fig. 7 beschrieben, ein Mäanderantrieb oder Sperrgetriebe.

Betreffend Dimensionierung spielt die azimutale Sektorlänge der inneren Erre- germagnete eine dominante Rolle, dermassen, dass innerhalb des inaktiven Be- reiches ein möglichst leistungsloser Polwechsel gewahrleistet ist. Mit der Anzahl der längs des Umfanges vorgesehenen Polteilungen ist der mittlere Radius r, der

Polbogensegmente als Mindestgrösse eindeutig definiert. Das Gesamtdrehmo- ment steigt proportional mit der Anzahl Polteilungen aber auch, in zunehmend abgeschwächter Form, mit dem Sektorradius r2 der äusseren Erregermagnete. Ein zu grosser Radius r2 ist jedoch wegen des abnehmenden Einflusses auf das Ge- samtdrehmoment aus ökonomischen Gründen nicht opportun, womit auch r2 Grenzen gesetzt sind. Ausgehend von einem vorgegebenen Radius r2 bedeutet eine systematische Vergrösserung von r, die Platzierung einer grösseren Anzahl Pollücken, d. h. eine lineare Zunahme des Drehmomentes, zugleich aber eine wachsende Schwächung des Differenz-Drehmomentes. Das Gesamtdrehmoment durchläuft bei diesem Konzept ein Maximum und zwar, wie die Rechnung zeigt, exakt an der Stelle r, = r2/2 resp. r2 = 2r1. In der Praxis dürfte allerdings ein leicht grösseres Verhältnis, z. B. r2 = 3r, vorteilhafter sein, bei dem dann mögliche Ab- gleichungsungenauigkeiten weniger ins Gewicht fallen.

Da die Feldrichtung der Erregermagnete und die Achsrichtung der Steuerorgane senkrecht zur Drehrichtung des Rotors stehen, kann man deren Funktionen auch vertauschen, d. h. radiale Feldrichtung und zur Motorachse parallel gerichtete Steuerung. Dies ermöglicht eine koaxiale Anordnung des inneren und äusseren Erregersystems, ähnlich den Bauformen der heutigen elektrischen Maschinen.

Vorteilhaft dabei ist, dass eine beliebige Anzahl längs der Motorachse vorhande- ner Antriebseinheiten gesamthaft umgepolt werden kann.

Der mechanische, im Prinzip leistungslose Polwechsel ist insofern mit einem ge- wissen Nachteil behaftet, als die Schaltfrequenz resp. die Drehzahl der Schalt- räder um die halbe Anzahl Polteilungen u. U. wesentlich höher ist als die Drehzahl des Motors. Die dadurch beschränkte Motordrehzahl lässt sich indessen durch ein grösseres Drehmoment, d. h. die Zuordnung einer entsprechend grösseren Anzahl Antriebseinheiten, wettmachen. Beliebig hohe Motordrehzahlen lassen sich je- doch mit einer elektronischen Steuerung der Polwechsler erzielen. Bei deren Auslegung ist aber streng auf die vorstehend am mechanischen Modell postulier- ten Richtlinien zur Erzeugung eines Differenz-Drehmomentes zu achten, speziell bezüglich der Unterdrückung von allfälligen Induktionsspannungen.

Wie eine nähere Betrachtung zeigt, ist das hier offengelegte Konzept des ma- gnetodynamischen Motors mit den aus der Elektrodynamik bekannten Gesetzen nicht kompatibel. Beispielsweise führt die Kompensation von Induktionsspannun- gen durch eine gegenläufige Serieschaltung der Arbeitsspulen auf den Teilsyste- men, unabhängig von deren radialen Abstand von der Rotorachse, stets zu gleich grossen Drehmomenten. Ein Ersatz der Arbeits-Permanentmagnete durch elek- trisch gesteuerte Spulenmagnete ist deshalb nur mit unkonventionellen Mass- nahmen denkbar. Eine Möglichkeit besteht im Konzept mit magnetisch gegenwir- kender Erregersysteme, so dass bei deren Symmetrieabgleich in den Arbeitsspu- len gar keine Spannung induziert werden kann.

Fig. 9 zeigt ein gemäss diesen Überlegungen konzipierter Motor in schei- benförmiger Ausführung mit seitlich angeordneten Erregermagneten, zur Vereinfachung ohne deren Jochverbindungen und dem erforderli- chen mechanischen Zubehör-links im Teilquerschnitt, rechts per- spektivisch in Draufsicht. Der Stator besteht, wie beim rein mechani- schen Modell, aus einem inneren Teilsystem mit den Erregermagne- ten 51 und einem äusseren Teilsystem mit den bezüglich den einzel- nen Polteilungen gleichgepolten Erregermagneten 52. Die Rotor- scheibe 53 trägt auf radial gerichteten Magnetkernen 54 mit den Pol- kappen 55,56 die Arbeitsspulen 57,58, zwecks grösserer Effizienz als Zweiphasensystem ausgelegt, wobei die Arbeitsspulen 57 zur ei- nen Phase, die Spulen 58 zur anderen Phase gehören. Die Spulen- magnete 57 befinden sich gerade in der Umpolung (daher unpolar- siert), die Spulenmagnete 58 in der Mitte der Pollücken. In Fig. 9 sind die Polbogenlängen der Erregermagnete 51,52 sowie die azimutalen Längen der Polkappen 56,57 dem Radienunterschied der Teilsyste- me angepasst, was aber, je nach Konstruktion nicht exakt zutreffen muss. Azimutal sind die einzelnen je Polteilung gleichgepolten Erre- germagnete abwechselnd gepolt. Bei phasensynchroner Umpolung

der Arbeitsmagnete im Bereich der Polbogenmitte wechseln damit die magnetischen Kraftwirkungen längs der Pollücken im Sinne der Dreh- richtung automatisch von einem abstossenden in einen anziehenden Bereich. Zwischen den Teil-Erregersystemen entstehen, wie in Fig. 9 angedeutet, zwei gegenläufig gerichtete Drehmomente.

Fig. 10 zeigt als zweite Möglichkeit das Konzept eines Motors in koaxialer Ausführung, wobei als Erregermagnete Permanentmagnete ange- nommen sind. Der Stator besteht analog aus einem inneren Teilsys- tem 61 mit den Erregermagneten 62 und einem äusseren Teilsystem 63 mit den je Polteilung gleichgepolten Erregermagneten 64. Der Ro- tor 65 im Zwischenraum (gelagert auf Hohlwelle) trägt auf radial ge- richteten Magnetkernen 66 mit den Polkappen 67,68 die Arbeitsspu- len 69,70 zwecks grösserer Effizienz ebenfalls als Zweiphasensystem ausgelegt, wobei die Spulen 69 resp. 70 zu je einer Phase gehören.

Ihre Positionen sind, wie in Fig. 9, Mitte Polbogen resp. Mitte Pol- lücken gezeichnet. Analog sind die Polbogenlängen der Erregerma- gnete 62,64 und der Polkappen 67,68 etwa dem Radienverhältnis r2/r angepasst. Azimutal sind die je Polteilung gleichgepolten Erre- gerpaare alternativ gepolt. Bei der Umpolung im Bereich der Polbo- genmitte wechseln damit die magnetischen Kraftwirkungen längs der Pollücken wiederum von einem stossenden in einen anziehenden Be- reich. Zwischen den Teil-Erregersystemen entstehen, wie in Fig. 10 angedeutet, zwei gegenläufige Drehmomente. Funktionell sind beide Möglichkeiten gleichwertig, konstruktiv jedoch mit gewissen Vor-und Nachteilen behaftet, die gegeneinander abgewogen werden müssen.

Gemäss Konzept müssen die radial gleichgepolten Erregermagnete den konträr gleichen radialen Feldfluss resp. das gleiche magnetische Potential aufweisen, so dass in den Spulenkernen 54 resp. 66 kein Längsfeld auftreten kann. Die mass- gebenden Induktionseffekte sind an den Polbogenenden der Erregermagnete zu

erwarten. Da sich dort die Erregerfelder in azimutale und axiale (Fig. 9) resp. ra- diale (Fig. 10) Komponenten teilen, besteht konstruktiv (Grosse und Form der Polschuhe, Weite der radialen Lufspalte, Polteilung und Länge der Pollücken, un- gleiche radiale Breite resp. axiale Länge der Polbogensegmente, Bemessung der Arbeitsspulen) zusammen mit der Stärke der Erregerfelder ein beträchtlicher Spielraum, innerhalb dessen stets ein Differenz-Drehmoment induktionsfrei erzielt werden kann, quasi als konforme Nachbildung des rein mechanischen Modells mit Permanentmagneten. Die jeweiligen Kraftwirkungen lassen sich statisch kontrol- lieren, der Induktionsabgleich dynamisch, indem man den Motor z. B. als Genera- tor antreibt. Mit dem Nullabgleich der Induktion in den Arbeitsspulen wird das Konzept irreversibel. In den Erregersystemen (innen Dauermagnete, aussen Dau- er-oder Spulenmagnete) dürften die Arbeitsmagnete kaum grössere Induktionen bewirken, da deren Wechselfeld bei der synchronen Drehzahl im Wesentlichen in der Form eines bezüglich der äusseren Erregerpole stillstehenden Drehfeldes er- scheint.

Zur Dimensionierung der Teil-Erregersysteme gelten im Prinzip die gleichen Überlegungen wie sie vorstehend bei der Beschreibung des rein mechanischen Modells dargelegt sind. Bezugsgrössen sind indessen die Länge der für ein opti- males Drehmoment experimentell ermittelten Pollücke zwischen den inneren Pol- segmenten mit dem Radius r, und der aus ökonomischen und/oder technischen Aspekten festgelegte äussere Durchmesser r2. Bei Annahme einer doppelt so grossen Polbogenlänge beträgt die Polteilung etwa das Dreifache einer Pollücke.

Hinsichtlich einem Radienverhältnis r2/r1 = 2 bis 3 (wie vorstehend erläutert) ist damit auch die Polzahl (ganzzahlig) bestimmt. Auch hier muss das Experiment entscheiden. Bei zu kleiner Polbogenlänge könnte, je nach den mechanischen Konturen, das Gesamtdrehmoment eher ab-als zunehmen.

Bezüglich Leistungsabgabe des Motors lassen sich hier nur allgemeine Angaben machen, da die längs den Pollücken wirksamen Kräfte von zahlreichen Faktoren abhängen (wie oben erwähnt), die im konkreten Fall experimentell ermittelt bzw.

optimiert werden müssen. Ausgehend von der längs einer Pollücke gemittelten Zugkraft wächst die gesamte Umfangskraft etwa proportional mit dem Radius des Rotors, da längs dem Umfang immer mehr Pole und Arbeitsmagnete platziert werden können. Zugleich steigt aber die Umfangsgeschwindigkeit, so dass, bei gegebenener Drehzahl, die Leistung mit dem Radius zumindest quadratisch zu- nimmt. Die obere Grenze liegt bei der höchst zulässigen Umfangsgeschwindigkeit bzw. den auftretenden Zentrifugalkräften. Eine weitere Steigerung liegt in der axialen Verlängerung der Magnetsysteme. Diese zusammengefasst mit der ra- dialen Abhängigkeit führt zum Begriff einer motorischen"Volumenleistung"als Kriterium der jeweiligen Effizienz. Allgemein ist der Nutzungsgrad aber immer mit dem Faktor (1-rr/r2) behaftet (ähnlich dem Carnot'schen Wirkungsgrad mit (1-T1/T2) in der Thermodynamik). Verluste entstehen lediglich in den Drahtspulen der Arbeitsmagnete, durch Wirbelströme, Lager-und Luftreibung, die sich leicht in tragbaren Grenzen halten lassen.

Das offengelegte Konzept des erfindungsgemässen magnetodynamischen Motors belegt deutlich, dass sich auch ausserhalb der Maxwellschen Theorie ein gleich- gerichtetes Drehmoment erzielen lässt. Die Wirkungsweise des Motors ist ein rein magnetisches Phänomen. Sie beruht im Wesentlichen auf der Anisotropie der beteiligten Magnetfelder in den Pollücken. Die Herkunft der Energie ist unbekannt.

Ermüdungserscheinungen bei Dauermagneten sind nicht zu erwarten, denn das Wechselspiel zwischen den Magnetfeldern ist stets mit einem"Geben und Neh- men"verbunden, so dass keine Feldenergie verloren geht. Die Magnetfelder die- nen lediglich als Translator zur Umsetzung der unbekannten Energie in mechani- sche Energie.

Während bei den konventionellen Elektromotoren nach dem Gesetz von Biot- Savart der Antrieb längs der Polbogen erfolgt, geschieht dies hier längs der Pol- lücken. Jene haben möglichst lange Polbogen (z. B. 2-polig), hier ist eine mög- lichst grosse Polzahl erwünscht (z. B. 12-polig), die mit steigender Drehzahl zu hohen Betriebsfrequenzen führt, z. B. bei 3000 U/Min. zu f = 300 Hz.

Betrieblich kommt infolge der hohen (und variablen) Betriebsfrequenz vorzugs- weise Eigensynchronisierung in Betracht, abgeleitet anhand eines synchron mit- laufenden Signalgebers, dessen Steuersignal entweder direkt oder über eine Schaltelektronik zu den Arbeitsspulen gelangt. Bei der Auslegung spielen die fre- quenzabhängige Impedanz der Arbeitsspulen und die erforderliche Leistungs- charakteristik des Motors eine massgebende Rolle. Hierbei bestehen bezüglich steigender Drehzahl zwei Spezialfälle : a) Speisung der Arbeitsspulen bei konstantem Strom = konstantes Drehmoment, d. h. linear zunehmende Wellenleistung. b) Speisung der Arbeitsspulen bei konstanter Spannung = abnehmendes Drehmoment, d. h. konstante Wellenleistung.

Ein gemäss a) von der Drehzahl unabhängiges Drehmoment liefert z. B. ein syn- chron mitlaufender leistungsstarker Steuergenerator mit der gleichen Polzahl wie sie der Motor hat. Bei Gleichstrom und tiefen Frequenzen ist die Impedanz der Arbeitsspulen vorwiegend ohmsch, aber schon nach einigen 10 Herz überwiegt der induktive Anteil. Die Impedanz wächst dann nahezu proportional mit der Fre- quenz, aber ebenso die Ausgangsspannung des Steuergenerators. Im Verhältnis der beiden erhält man in den Arbeitsspulen einen von der jeweiligen Motordreh- zahl weitgehend unabhängigen Magnetisierungsstrom. Durch Verdrehen dessen Erregersystem oder der Kupplungshälften, manuell oder automatisch, ässt sich leicht die optimale Phasenlage resp. die erforderliche Drehzahl einstellen. Das motorisch bewirkte Drehmoment entspricht etwa dem Anlaufdrehmoment. Die Steuerleistung ist eine reine Blindleistung und hat auf die Effizienz des Motors keinen nennenswerten Einfluss. Zur Inbetriebsetzung ist ein Anwurfmotor erfor- derlich.

Der Betriebsfall b) benötigt stets eine Schaltelektronik (Wechselrichter) mit Gleich- stromquelle, wobei für den Signalgeber verschiedene Möglichkeiten bestehen, z.

B. induktiv (wie bei a) erläutert, jedoch leistungsschwach), optoelektronisch oder

mittels Mäanderkollektors (siehe O. Multhaupt, Seite 154), die auch kombiniert sein können. Auch Kombinationen von a) und b) sind denkbar, z. B. selektiv mittels eines Seriekondensators oder gemäss a) bei Zuleitung des Steuersignals via ei- nes linearen Verstärkers, bei dessen Übersteuerung jedoch gemäss b). Solche Zwischenlösungen sind indessen mit grösseren Phasendrehungen behaftet und daher sehr problematisch.

Die Anwendung des beschriebenen magnetodynamischen Motors liegt vorwie- gend im Bereich der Kleinantriebe in mobilen und stationären Aggregaten wie Autos, Schiffe, Generatoren, Heizungen u. a. m. Aber auch grössere Einheiten mit Leistungen bis gegen 1000 kW sind denkbar. Bezüglich des jeweiligen Einsatzes dürften ausser den technischen Aspekten auch das Leistungsvolumen bzw. Lei- stungsgewicht samt Kostenaufwand eine Rolle spielen.

Fig. 11 zeigt als Beispiel in Blockschaltung ein Konzept für den mobilen Ein- satz. Der magnetodynamische Motor M mit den z. B. in Serie ge- schalteten Arbeitsspulen A auf den Magnetkernen K treibt auf einer gemeinsamen Welle W rechts einen Generator G und links den Si- gnalgeber S. Der Generator G, der zugleich als Anwurfmotor dient, speist einerseits die Hilfsbatterie B, und über die Wechselstromsperre D und dem Wechselrichter R (in mechanischer Form angedeutet) die Arbeitsspulen A. Als Signalgeber S, verbunden über die Steuerleitung L mit dem Wechselrichter R, wirkt ein kleiner Wechselstromgenerator (wie zu b) erwähnt) mit einer azimutalen Justiervorrichtung zwecks Phasenabgleich des Ausgangsssignals, wie zu a) erläutert. Die effek- tive Leistung des Motors, die wesentlich grösser ist als die zur Ma- gnetisierung erforderliche, erscheint hier an den Generatorklemmen P, liesse sich aber auch über ein Getriebe direkt der Welle W entneh- men.

Ein zweiphasiges Magnetsystem (wie in Fig. 9 und 10 dargestellt) ermöglicht auch den Selbstanlauf, bedingt jedoch eine Anpassung von Signalgeber und Wechsel- richter bezüglich Phasenzahl und den gesamten Frequenzbereicht von Null bis zum Höchstwert. Denkbar ist auch eine direkte Stromzufuhr ohne Schaltelektronik mittels des erwähnten Mäanderkollektors, speziell bei mehr als zweiphasigen Sy- stemen, eventuell in Kombination mit einem leistungsstarken Signalgeber gemäss a), umschaltbar mittels Zentrifugalschalter. Gewisse Vereinfachungen sind mög- lich, z. B. bei stationären Anlagen, falls ein externer Stromanschluss vorhanden ist.