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Dokumentenidentifikation DE102006021262A1 20.09.2007
Titel Inertialantrieb
Anmelder Vidolov, Kliment, 14055 Berlin, DE
Erfinder Vidolov, Kliment, 14055 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 03.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006021262
Offenlegungstag 20.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.09.2007
IPC-Hauptklasse F03G 7/08(2006.01)A, F, I, 20060503, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Antriebskraft in einer beliebigen Richtung, indem sie die Intertialkraft von innerhalb der Vorrichtung sich bewegenden Körpern benutzt.

Eine häufige Aufgabenstellung ist die Bewegung von Fahrzeugen. Der meist verbreitete Arbeitsprinzip ist die Übertragung der Antriebskraft durch Reibung auf eine Unterlage, wodurch das Fahrzeug in einer vordefinierten Richtung bewegt wird. Eine andere Möglichkeit ist bekannt aus dem Arbeitsprinzip der Reaktivtriebwerke oder beispielsweise vom Ionenantrieb. Dabei wird durch die Herausbeschleunigung von Teilchen mit großer Geschwindigkeit ein Impuls in der anderen Richtung erzeugt. Propeller angetriebenen Fahrzeugen liegen beide Prinzipien zugrunde. Dabei beschleunigt der Propeller das herumliegende Medium und als Reaktion wird das Fahrzeug nach vorn bewegt.

Es gibt zusätzlich eine Reihe von Inertialantrieben, welche die Zentripetalkraft zur Erzeugung eines Antriebs zugrunde legen. Dabei wird eine Excentermasse um eine Achse rotiert und der Abstand zur Achse wird dynamisch verändert. Das passiert beispielsweise über einen verstellbaren Arm wie bei Patent WO9612891. Andere Prinzipien beruhen auf das bekannte mechanische Prinzip der Auflagerreaktionskraft bei der Beschleunigung einer Excentermasse. Eine solche Ausführung ist im Patent US3653269 zu sehen. Dabei ist es nachteilig, dass nur eine Beschleunigungsrichtung benutzt wird, so dass mehr als 180° der Umdrehung kein Arbeitsbereich darstellen. Es ist eine weitere Ausführung nach EP 1607626 bekannt, welche eine weiterentwickelte Form dieses Prinzips darstellt. Diese Ausführung zeichnet sich durch einen komplizierten Aufbau und die nachteilige Pendelbewegung der Excentermasse um die Achse Y, wie auch durch die große Differenz der Zentrifugalkräfte in den Punkten a, b und c, welche der resultierenden Kraft in Richtung Z entgegenwirken würden (Maximum am Punkt c wegen größter Winkelgeschwindigkeit und keine Zentrifugalkraft bei a und b wegen Stillstand).

Es sind auch weitere Inertialantriebe bekannt, welche sich wieder durch einen sehr komplizierten Aufbau auszeichnen und eine Fülle an Gelenke, Gyroskope und beweglichen Teile besitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative Vorrichtung zu schaffen, die sich durch vergleichsweise einfachen Aufbau auszeichnet, diese Nachteile beseitigt und es erlaubt, eine Antriebskraft durch die periodische Änderung der Winkelgeschwindigkeiten von Excentermassen zu erzeugen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung besteht aus einem Stator, der an dem zu bewegenden Fahrzeug befestigt wird, und einem Rotorkörper mit einer Excentermasse, welcher Rotorkörper mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist, die ein Drehmoment erzeugt. Diese Antriebsvorrichtung kann jeden beliebigen Typ vom Drehmomenterzeuger sein, wie z.B. ein Elektromotor, ein Verbrennungskraftmotor oder eine Turbine. Zu den Zwecken des Inertialantriebs bietet sich ein Elektromotor am besten. Dabei ist weiterhin die Möglichkeit gegeben, dieses Drehmoment dynamisch zu variieren und deren Richtung auch abhängig von der Rotorposition zu ändern. Es wird weiterhin eine Integralbauweise angestrebt, um den Bauraum zu minimieren, und der Rotorkörper und der Stator haben die Funktion des Rotors und des Stators eines Elektromotors.

Als eine weitere Möglichkeit empfiehlt sich eine Bauweise mit zwei solchen Grundformen, die in entgegen gesetzten Richtungen drehen, um die unerwünschten Schwingungen in der Hauptrichtung X zu unterbieten.

Möglich ist es auch, statt eines Drehmoments eine Kraft einzuleiten, welche Kraft die Excentermasse analog zum Drehmoment positiv oder negativ beschleunigt und vorzugsweise durch den Massenmittelpunkt des Rotors durchgeht. Dabei ist der Rotorkörper so gebaut, dass er ein kleines Rotorsegment eines Elektromotors darstellt. Dabei wird direkt eine Tangentialkraft am Rotorsegment erzeugt, welche die Excentermasse positiv oder negativ beschleunigt. Diese Tangentialkraft kann sowohl an der radialen Umfangsseite des Rotors generiert werden als auch auf die axiale Stirnseite des Rotors.

Die Excentermasse kann des Weiteren auch als ein freier Körper gebaut werden, welcher Körper um die Achse des Stators kreist und mit dieser Achse nicht fest verbunden ist. Es wird wieder eine Tangentialkraft durch den Massenmittelpunkt erzeugt. Die resultierende Fliehkraft sorgt für den ständigen Kontakt des Körpers mit der Innenkreisfläche des Stators. Der Körper kann rotationssymmetrisch gebaut werden, so dass er entlang der Innenkreisfläche des Stators abrollt, oder als einen 3-dimensionalen Körper ausgeführt werden, so dass er entlang der Fläche gleitet oder über diese Fläche infolge magnetischer Wechselwirkung schwebt.

Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigt:

1 eine Draufsicht des Inertialantriebs während der positiven Beschleunigungsphase.

2 eine Draufsicht des Inertialantriebs während der negativen Beschleunigungsphase.

3 die Entwicklung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors in Abhängigkeit von derer Position.

4 qualitativ den Drehmoment- und Antriebskraftverlauf von 0° bis 360°.

5 eine Draufsicht des Inertialantriebs mit Rotorsegment während der positiven Beschleunigungsphase.

6 eine Draufsicht des Inertialantriebs mit Rotorsegment während der negativen Beschleunigungsphase.

7 eine Kombination zweier Inertialantriebe, deren Rotorsegmente in entgegen gesetzte Richtungen drehen.

8 eine Draufsicht des Inertialantriebs mit einem gleitenden Rotorsegment.

9 eine Kombination zweier Inertialantriebe aus 7, welche in entgegen gesetzte Richtungen kreisen.

10 einen Schnitt durch die Kombination aus 9.

11 eine Draufsicht eines Inertialantriebs mit einem rollenden Rotorsegment.

12 eine Draufsicht eines Inertialantriebs mit zwei Rollkörpern, die innerhalb eines Stators in derselben Richtung kreisen.

13 die Arbeitsbereiche innerhalb eines Zyklus, so dass die freie Körper gleich lange Verweilzeiten in den einzelnen Arbeitsbereichen haben.

14 eine Draufsicht eines Inertialantriebs mit drei Rollkörpern.

15 einen segmentierten Stator und die Anfangs- und Endstellung der Rollkörper beim Hochfahren des Inertialantriebs.

16 einen Regelkreis für den Inertialantrieb.

Das Funktionsprinzip der Vorrichtung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert.

Die Antriebsfunktion basiert auf die längst bekannte Tatsache, dass ein drehender Körper mit exzentrischem Massenmittelpunkt eine Kraft durch die Drehachse infolge einem Beschleunigungs- oder Bremsvorgang erfährt. Diese Tatsache ist jedoch in einer neuartigen Ausführung mit zusätzlichen Eigenschaften so kombiniert, dass ein neuartiger Inertialantrieb entsteht. Für den Fall, dass diese Beschleunigungskraft durch den Massenmittelpunkt des drehenden Körpers geht und tangential zu seiner Drehachse verläuft, wird dann die Reaktionskraft auf die Umgebung infolge dieser Beschleunigungskraft als Antriebskraft benutzt.

In ihrer Grundform aus 1 besteht der Inertialantrieb aus einem Stator (1), der an dem zu bewegenden Fahrzeug (nicht dargestellt) befestigt wird, und einem Rotorkörper (2) mit einem exzentrischen Massenmittelpunkt (3), welcher Rotorkörper (2) mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist, die ein Drehmoment erzeugt. Diese Antriebsvorrichtung kann jeder beliebiger Typ vom Drehmomenterzeuger sein, wie z.B. ein Elektromotor, ein Verbrennungskraftmotor oder eine Turbine. Zu den Zwecken des Inertialantriebs bietet sich ein Elektromotor am besten. Dabei ist weiterhin die Möglichkeit gegeben, dieses Drehmoment dynamisch zu variieren und deren Richtung abhängig von der Rotorposition auch zu ändern. Um die Konstruktion zu vereinfachen und den Bauraum zu minimieren wird eine Integralbauweise angestrebt. Dabei haben der Rotorkörper (2) und der Stator (1) die Funktion des Rotors und des Stators eines Elektromotors. Bei einem konstanten Drehmoment Mo (4) im Uhrzeigersinn würde sich der Rotorkörper mit einer konstanten maximalen Winkelgeschwindigkeit drehen, welches Drehmoment Mo nur die Trägheitskräfte des Rotors und die Reibwiderstände überwinden muss. Dieses konstante Drehmoment ist der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt. Während dieses konstanten Vorgangs erfahren die Achsauflagerpunkte der Drehachse (4) nur die resultierende Fliehkraft wegen des exzentrischen Massenmittelpunktes (3). Wenn jedoch ein zusätzliches Drehmoment M_p (5) in derselben Richtung wie die Drehrichtung (9) überlagert wird und der Rotorkörper (2) positiv beschleunigt wird, ergibt sich eine Beschleunigungskraft F_p (7) durch den Massenmittelpunkt (3) des Rotors (2), welche eine resultierende gleich große, jedoch entgegen gerichtete Reaktionskraft F_res_p (8) durch die Achse (4) hervorruft. Diese Kraft F_res_p (8) wird über die Achsauflagerpunkte an dem Stator (1) und weiter an das Fahrzeug als eine Antriebskraft übertragen. Wenn diese Antriebskraft F_res_p (8) hauptsächlich in einer Richtung Y wirken soll, muss dann diese positive Beschleunigungsphase (innerhalb ϖ = 0 ... 180°) nur während eines Abschnittes einer vollen Umdrehung stattfinden, beispielsweise in einem Winkelsegment &agr; (Alpha), welcher bei der exemplarischen Ausführung auf 90° gesetzt wurde. Die Komponente der Kraft F_res_p (8) in Richtung Y ist abhängig von der Rotorwinkelposition und kann leicht über den Sinus vom Winkel ϖ (12) berechnet werden. Um eine Kraft F_res_p (8) mit hohem Wirkungsgrad in der erwünschten Richtung Y zu bekommen, empfiehlt sich eine positive Beschleunigungsphase in einem schmalen und zur Achse X symmetrischen Winkelsegment &agr; (Alpha), so dass der sin(ϖ) möglichst nah an 1 bleibt. In diesem Fall zeigt die F_res_p (8) hauptsächlich in Richtung Y. Bei symmetrischer Alpha = 90° ist die Y-Komponente immer noch F_Y = 0,707·F_res_p. Um eine Antriebskraft in Richtung Y über einer längeren Zeit zu bekommen, sollte der Rotorkörper (2) jedes Mal positiv beschleunigt werden, wenn er den Winkelsegment &agr; (Alpha) durchquert. Das würde jedoch eine zunehmende Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit bedeuten, welche nicht unendlich fortgesetzt werden kann. Um dieses Effekt zu vermeiden, bietet sich die Einführung einer negativen Beschleunigungsphase (innerhalb ϖ = 180 ... 360°) (2). Dabei wird der Rotorkörper (2) einer negativen Beschleunigung infolge einem zur Drehrichtung entgegen gesetztem Drehmoment M_n (6) ausgesetzt. Dabei ist M_p = –M_n. Auf diese Weise wird wieder eine Reaktionskraft F_res_n (10) in der Achse hervorgerufen, deren Y-Komponente in derselben Richtung wie die Y-Komponente der Reaktionskraft F_res_p (8) von der positiven Beschleunigungsphase zeigt. Auf diese Weise ergibt sich eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors (2) wie aus 3 infolge eines schwankenden Drehmoments (4). Dabei dreht sich der Rotorkörper (2) ursprünglich mit einer Winkelgeschwindigkeit ϖ'_o infolge eines konstanten Drehmoments Mo. Beim Erreichen der positiven Beschleunigungsphase wird der Drehmoment auf Mo + M_p erhöht, was eine Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit auf ϖ'_end beim Verlassen der positiven Beschleunigungsphase bedeutet. Danach dreht der Rotorkörper (2) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ϖ'_end bis zum Erreichen der negativen Beschleunigungsphase. Das Drehmoment wird auf den Wert Mo + M_n heruntergesetzt, was eine Verzögerungswirkung auf den Rotorkörper (2) hat, bis die Winkelgeschwindigkeit wieder ϖ'_o beim Verlassen der negativen Beschleunigungsphase erreicht. Dieser zyklische Vorgang hat die Folge, dass die Achsauflagerung während beider Beschleunigungsphasen eine Reaktionskraft erfährt, deren Y-Komponente als Antrieb benutzt werden kann. Zusätzlich wird die Zentrifugalkraft des rotierenden Massenzentrums überlagert, welche in den unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Werte infolge der sich ändernden Winkelgeschwindigkeit einnimmt und den gleichen qualitativen Charakter wie die Winkelgeschwindigkeit aus 3 aufweist. Wenn die Reaktionskraft infolge der Beschleunigungsvorgänge und die Zentrifugalkraft addiert werden und nur die Y-Komponente berechnet wird, ergibt sich der qualitative Antriebskraftverlauf aus 4. Dafür wurde der Rotorkörper als eine Punktmasse simuliert mit m = 0,1 kg, Abstand zur Achse von r = 0,05 m, ϖ'_o = 600 min–1 und ein M_p = –M_n = 10 Nm. Es ist möglich, eine Antriebskraft in jeder beliebigen Richtung zu erzeugen, da nur eine Verstellung der Alpha-Bereiche der positiven und der negativen Beschleunigungsphase relativ zur Y- oder X-Achse nötig ist. Des Weiteren ist es auch möglich, eine sofortige Richtungsänderung der Antriebskraft um 180° zu realisieren. Dafür wird entweder die positive, oder die negative Beschleunigungsphase nicht eingeschaltet, so dass ein Halbzyklus ausgelassen wird. Danach wird beim übernächsten Halbzyklus mit der entsprechenden Beschleunigungsphase weiter verfahren. Wenn beispielsweise der Rotorkörper (2) beim n-ten Halbzyklus positiv beschleunigt wird, dann wird der n + 1-te Halbzyklus ausgelassen und beim n + 2-ten Halbzyklus wird er negativ beschleunigt. Natürlich ist es auch möglich, beim n + 1-ten Halbzyklus eine positive Beschleunigungsphase einzuschalten, dabei würde sich lediglich die Austrittswinkelgeschwindigkeit ändern. Der gleiche Effekt der Geschwindigkeitsänderung würde auch auftreten, wenn M_p ≠ –M_n ist. Dadurch ist es möglich, eine nach Betrag und Richtung sich ändernde Kraft zu erzeugen, ohne dass der drehende Körper, in dem Fall der Rotorkörper (2), seine Drehrichtung ändern muss.

Eine weitere vorteilhafte Form ergibt sich aus 5. Dabei wird der Rotorkörper (2) als ein Rotorsegment (13) ausgeführt. Auf diese Weise wird die Rotorantriebskraft nicht mehr über den gesamten Umfang des Rotors (2) verteilt, sondern konzentriert sich nur auf einen Abschnitt des Rotorsegments (13). Analog dazu wird kein Reaktionsdrehmoment auf den Stator (1) induziert, sondern eine örtliche Reaktionskraft F_res_p (8) im Bereich der momentanen Position des Rotorsegments (13). Es wird zusätzlich eine Massenmittelpunktverlagerung des Rotorsegments (13) so weit wie möglich nach Außen angestrebt, so dass die Rotorantriebskraft F_p (7) idealisiert durch diesen Massenmittelpunkt (3) hindurchgeht. Auf diese Weise bleibt die einzige Achsenbelastung die Zentrifugalkraft infolge der Drehung der Excentermasse. Die Antriebskraft auf das Fahrzeug summiert sich wieder aus der örtlichen Reaktionskraft F_res_p (8) am Stator (1) und die Zentrifugalkraft durch die Achse (4). Analog zur Ausführung als voller Rotorkörper (2) gibt es eine positive (5) und eine negative Beschleunigungsphase (6). Der Unterschied ist die Position der Reaktionskräfte F_res_p und F_res_n, wie auch eine u.U leichtere und kleinere Bauweise. Bei der Ausführung als Rotorsegment (13) ist zusätzlich die Reaktionskraft am Stator (1) nur von der induzierten elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Rotorkörper (2) und Stator (1) abhängig und nicht von der Rotorsegmentgröße, -masse oder -hebelarmlänge. Diese letzten Größen beeinflussen lediglich die Trägheit des Rotorsegments (13) und die Endwinkelgeschwindigkeit ϖ'_end, wie auch die Größe der Zentrifugalkraft. Dadurch ergibt sich eine leichtere Auslegung der Parameter des Inertialantriebs.

Um die induzierten unerwünschten Schwingungen in der X-Richtung zu vermeiden, empfiehlt sich eine Kombination von zwei identischen Inertialantrieben, deren Rotorsegmente 13.1 und 13.2 in entgegen gesetzten Richtungen drehen (7) und die Y-Achse als Spiegelungsachse haben. Eine solche Kombination ist auch möglich bei der Ausführung als voller Rotorkörper (2).

Es ist auch möglich, den Rotorsegment (13) von der Achse (4) abzukoppeln und auf die Statorinnenfläche gleiten oder rollen zu lassen (811). Diese Gleit- oder Rollfläche (16) kann natürlich auch einer zusätzlichen Einrichtung gehören und kein Teil des Stators (1) sein. Dabei ist das Funktionsprinzip der gleiche wie bei dem Segmentrotor (13). Es wird eine Beschleunigungskraft F_p (7) oder F_n (9) in den Massenmittelpunkt des gleitenden (14) oder rollenden (15) Körpers eingeleitet und eine gleich große und entgegen gesetzte Reaktionskraft F_res_p (8) oder F_res_n (10) am Stator (1) induziert, welche wiederum die Antriebkraft darstellt. Die Zentrifugalkraft des gleitenden (14) oder rollenden (15) Körpers wird über die Gleit- oder Rollfläche (16) des Stators (1) oder einer zusätzlichen Einrichtung (nicht dargestellt) eingeleitet. Dabei ist davon auszugehen, dass der gleitende (14) oder rollende (15) Körper seine Kreisbahn halten wird, da die Zentrifugalkraft ihn zu allen Zeiten an die Gleit- oder Rollfläche (16) presst, solange er entlang der Kreisbahn bewegt wird. Es existieren zusätzliche entsprechende Vorrichtungen, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, welche den gleitenden (14) oder rollenden (15) Körper in Z-Richtung in Position halten werden. Sie könnten den freien Körper durch eine Reihe bekannter physikalischen Prinzipien in seiner Kreisbahn stabilisieren, wie z.B. durch mechanischen Kontakt, elektromagnetische Wechselwirkung oder ähnliche. Des Weiteren kann es zwischen der Gleit- oder Rollfläche (16) und dem gleitenden (14) oder rollenden (15) Körper eine elektromagnetische Wechselwirkung geben, so dass er kein Kontakt mir dieser Fläche (16) aufweist und zu einem Schwebekörper wird, welcher entlang einer Art „Magnetschwebebahn" fährt.

Analog zum vollen Rotorkörper (2) und zum Rotorsegment (13) bietet sich eine Kombination zweier oder mehr Inertialantriebe, welche derart miteinander kombiniert werden, so dass die unerwünschten Kraftkomponenten in X-Richtung eliminieren werden. (9 und 10).

Sehr vorteilhaft bei der Ausführung des Rotors (2) als freier Körper, sei es ein Gleitkörper (14) oder ein Rollkörper (15), ist die Kombination zweier solcher Körper (14 o. 15) innerhalb eines Stators (1) (12). Die Funktionsweise wird anhand einer Ausführung mit zwei rollenden Körpern (15.1 und 15.2) erläutert. Dabei werden die rollenden Körper (15.1 und 15.2) versetzt zueinander positioniert, so dass zwischen denen genau ein Arbeitsbereich liegt. Arbeitsbereiche sind der Bereich/Phase konstanter ϖ'_o, die positive Beschleunigungsphase, der Bereich/Phase konstanter ϖ'_end und die negative Beschleunigungsphase. Dies würde passieren, wenn der erste Körper (15.1) gerade die positive Beschleunigungsphase verlässt, während der zweite Rollkörper (15.2) gerade die negative oder positive Beschleunigungsphase eintritt. (Es wird nebenbei angemerkt, dass diese Funktion der Phasenverschiebung auch mit zwei Inertialantrieben mit vollem Rotorkörper (2) oder mit Rotorsegment (13) realisiert werden kann.) Auf diese Weise wird fast der gesamte Zyklus von 360° für die Erzeugung einer resultierenden Antriebskraft realisiert, da entweder der erste (15.1) oder der zweite (15.2) Rollkörper eine Wechselwirkung mit dem Stator erfährt. Wegen der unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten beider Rollkörper in den einzelnen Arbeitsbereichen variiert jedoch der geometrische und zeitliche Abstand zwischen denen und es kommt zu dem Phänomen, dass sich beide Rollkörper in demselben Arbeitsbereich befinden können, was entweder zu Überlappungen oder Lücken bei der Generierung von Reaktionskräften führen kann. Nach der Anfangsstellung aus 12 würde eine Überlappung während beider Beschleunigungsphasen und eine Lücke bei der Phase konstanter ϖ'_o auftreten. Dieser Effekt ist jedoch nicht so gravierend, da bei höheren Winkelgeschwindigkeiten die Differenz zwischen ϖ'_end und ϖ'_o wegen der zeitlich kürzeren Beschleunigungsphase kleiner ist. Dementsprechend würden sich die Verweilzeiten kaum voneinander unterscheiden. Um diese Nachteile trotzdem zu vermeiden, werden die Beschleunigungsphasen so verschoben, dass die Verweilzeiten der Rollkörper (15.1 und 15.2) in den einzelnen Arbeitsbereichen gleich groß sind (13). Dabei ändert sich der räumliche Abstand zwischen beiden Rollkörpern (15.1 und 15.2) mit der Zeit immer noch, es wird jedoch sichergestellt, dass sie zeitgleich die jeweiligen Bereiche verlassen oder eintreten. Auf diese Weise wird eine stetige Generierung einer variierenden Antriebkraft sichergestellt. Die Position der einzelnen Arbeitsbereiche auf dem Kreis ist abhängig von der mittleren Winkelgeschwindigkeit und von der Beschleunigungskraft F_p (7) oder F_n (9), so dass für jeden Betriebspunkt eine entsprechende Arbeitsbereichkonstellation existiert. Sie kann analog zu einem Motorkennfeld eines Verbrennungskraftmotors in der Steuerelektronik gespeichert sein und zur Regelungszwecken abgerufen werden.

Es ist des Weiteren möglich, dass die Verweilzeiten in den Phasen konstanter Winkelgeschwindigkeit ein Vielfaches der Verweilzeiten in den Beschleunigungsphasen betragen, bspw. doppelt so hoch (14). Auf diese Weise wird der Winkel „alpha" kleiner, was sich auf den Wirkungsgrad positiv auswirkt, da die Y-Komponente der Reaktionskraft von dem sin(ϖ) abhängt. In diesem Fall werden drei Rollkörper (15) so verteilt, dass zu jedem Zeitpunkt nur einer davon eine Wechselwirkung mit dem Stator (1) erfährt. Dadurch wird zu allen Zeiten eine Reaktionskraft generiert. Wegen der fast vollständigen Punktsymmetrie (Versatz wegen zeitlicher Abstandsänderung) dieser drei Rollkörper (15) verschwinden die Zentrifugalkräfte (näherungsweise gleich groß wegen gleich große Massen der Rollkörper und kleine Differenz zwischen ϖ'_end und ϖ'_o) fast vollkommen. Dieser Effekt beleibt auch bei einer anderen Anzahl von punktsymmetrischen Rollkörpern erhalten. Kombiniert mit noch einem Inertialantrieb, der in der entgegen gesetzten Richtung dreht, werden die unerwünschten Kräften in der X-Richtung infolge der Symmetrie zu Y zusätzlich beseitigt und es wird eine stetige Antriebskraft ausschließlich in der gewünschten Richtung generiert. Es sind natürlich auch andere Konstellationen von „alpha" und Anzahl und Position der Rollkörper (15) möglich, wie z.B. zwei punktsymmetrische Rollkörper, vier punktsymmetrische Rollkörper, deutlich kleinere „alpha" und viele verteilte Rollkörper uvm. Dabei ist anzumerken, dass je kleiner die „alpha" Phase ist, desto kleiner die Differenz zwischen ϖ'_end und ϖ'_o ist. Da diese Differenz mit dem 2. Quadrat in die Differenz der Zentrifugalkräfte eingeht, ist sie maßgeblich für den Wirkungsgrad, welche bei steigender Differenz der Zentrifugalkräfte abnimmt. Ursache dafür ist die entgegen gesetzte Richtung der Zentrifugalkraft relativ zur elektromagnetischen Reaktionskraft. Dieser Effekt ist so gravierend, dass ab einem bestimmten Wert der „alpha" (abhängig von den restlichen Parametern des Systems) die Zentrifugalkraft größer als die magnetische Reaktionskraft ist und somit die Antriebskraftgenerierung übernimmt. Da laut Berechnungen der maximale Wirkungsgrad bei einem Antrieb über die Zentrifugalkraft kleiner ist als bei einem Antrieb nach der oben beschriebenen Methode, wird eine möglichst kleine „alpha" angestrebt. Bei Werten zwischen 5° und 10° ist der Wirkungsgrad über 90%. Um eine gleichmäßige Kraftgenerierung zu realisieren, erfordert dann eine kleine „alpha"-Beschleunigungsphase mehrere Gleit-(14) oder Rollkörper (15).

Um die einzelnen Rollkörper (15.1 und 15.2) unabhängig voneinander zu regeln, bietet sich eine Unterteilung des Stators (1) in mehreren Segmenten (17), welche einzeln gesteuert werden. Diese Segmente (17) müssen klein genug sein, damit zwei nebeneinander liegende Rollkörper nicht vollständig erfasst werden können (15). Auf diese Weise wird auch bei ursprünglich nebeneinander liegenden Rollkörpern (15.1 und 15.2) (15) eine autonome Beschleunigung und Bewegung der einzelnen Rollkörper realisiert, bis sie den gewünschten räumlichen Abstand in der Endstellung zueinander erreicht haben. Analog dazu bietet sich eine autonome Steuerung der einzelnen Rollkörper (15.1 und 15.2) bei einem nicht segmentierten Stator (1) an. Ausschlaggebend für die Auswahl des Steuerungsprinzips ist die Art der Wechselwirkung zwischen Stator (1) und Rollkörper (15.1 und 15.2). Bei einer elektromagnetischen Wechselwirkung und Ausführung der Rollkörper (15.1 und 15.2) als magnetische Körper würde sich beispielsweise eine Segmentierung des Stators (1) anbieten. Bei einer Ausführung des Stators (1) als magnetische Einheit und die umkreisende Körper (2, 13, 14, 15) als elektromagnetische Einheiten ist eine Steuerung der umkreisenden Körper (2, 13, 14, 15) notwendig. Dabei kann die unabhängige Steuerung durch getrennte oder segmentierte Schleifkontakte stattfinden. Es ist natürlich auch eine Ausführung des Stators (1) und der umkreisenden Körper (2, 13, 14, 15) als elektrische Einheiten möglich.

Für den Antrieb der Rotorsegmente (13), Gleit-(14) oder Rollkörper (15) nach elektromagnetischer Art bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten an. Für eine exemplarische Ausführung werden magnetische Gleitkörper (14) herangezogen, wobei zusätzlich auf die Möglichkeit hingewiesen wird, anstatt Gleitkörper (14) auch Rotorsegmente (13) oder Rollkörper (15) zu benutzen, welche magnetischer oder elektromagnetischer Art sind. Die elektromagnetischen Antriebseinheiten können sowohl in axialer Richtung positioniert werden (16), als auch in radialer (17), oder auch umschließend um die Gleitkörper (14) herum (18), wobei neben einer Kreisform auch eine rechteckige oder andersförmige möglich ist. Dabei ist die Größe der Antriebskraft abhängig von der magnetischen Flussdichte B der Magneten, die Gesamtlänge l des Stromleiters der Spule, der durch das magnetische Feld durchgeht, und des elektrischen Stroms I durch diesen Stromleiter.

Um diese Antriebskraft zu steigern bietet sich vereinfacht entweder eine größere Wechselwirkungsfläche zwischen Magneten (19) und Spulen (18), welche eine größere Stromleiterlänge bedeutet, stärkere Magneten oder einen stärkeren Strom I durch die Leiter der Spulen (18) an. Da die Dimensionen bei jeder Ausführung begrenzt sind und auch die stärksten Magneten gewisse Grenzen besitzen, kann eine weitere Erhöhung des Stroms durch die Spulen (18) einen Anstieg der Antriebskraft bedeuten. Leider ist jede Erhöhung des Stroms I mit thermischen Verlusten verbunden, welche zu einer Zerstörung der Spulen führen können. Um diese Erhöhung trotzdem zu verwirklichen bietet sich der Effekt der Supraleitung an. Dabei werden die elektromagnetischen Einheiten mit entsprechenden Kühleinheiten verbunden und soweit gekühlt, bis der elektrische Widerstand der elektrischen Leiter auf Null geht. So verringert sich der Energieaufwand deutlich auf Kosten eines höheren technologischen Aufwandes und es wird möglich, größere Ströme innerhalb der Spule (18) und dementsprechend stärkere Magnetfelder zu generieren. Somit wäre eine Vergrößerung der Antriebskraft bei gleich bleibenden Abmessungen des Antriebes möglich oder analog eine Verkleinerung der Abmessungen bei gleich bleibender Antriebskraft.

Des Weiteren ist es möglich, eine Bewegungsbahn für die Gleit-(14) oder Rollkörper (15) zu wählen, die nicht kreisförmig ist, sondern eine elliptische Form (20) hat (19) oder die Form eines verlängerten Kreises mit geraden Abschnitten (21) wie aus 20. Andere Trajektorien sind auch möglich, da sie das Wirkprinzip des Antriebes nicht verändern, sondern nur einen Einfluss auf die Bewegungsart und die momentanen Zentrifugalkräfte haben. Außerdem steigt der Wirkungsgrad bei mehr abgeflachten Segmenten der Bewegungsbahn innerhalb der Beschleunigungsphasen. Vorteilhaft ist bei solchen Bewegungsbahnen die kleinere Ausdehnung in Richtung X, so dass der Antrieb schmäler gebaut werden kann. In diesen Fällen verliert der Winkel „alpha" seine Bedeutung, da er anders definiert wird. Es wird nunmehr über die Beschleunigungsstrecke gerechnet, um die Differenz zwischen ϖ'_end und ϖ'_o zu bestimmen und das vordefinierte Verhältnis nicht zu überschreiten. Dabei ist die Form der Umlenkbahnen (die Bereiche konstanter Geschwindigkeit) von weniger Bedeutung. Eine irreguläre oder nicht kreisförmige Bewegungsbahn ist am besten kompatibel mit Rollkörper (15), jedoch nicht mit Rotorsegmenten (13) und bedingt mit Gleitkörpern (14), es sei denn, die Gleitkörper (14) kontaktieren die Gleitfläche (16) nur an zwei Auflagerpunkte oder verfügen über zusätzliche gelenkig gelagerte oder elastisch vorgespannte Kontaktelementen, beispielsweise Rollen oder Gleitflächen.

Für die richtige Funktion des Inertialantriebs wird ein Sensorsystem für die Positionserfassung der beweglichen Teile wie z.B. Rotorkörper (2), Rotorsegment (13), gleitende (14) oder rollende (15) Körper benötigt. Dafür sind diverse elektromagnetische Sensoren, mechanische Schalter oder optische Prinzipien wie z.B. Lichtschranken geeignet. Dabei werden die Positionsdaten ständig in Echtzeit ausgewertet und mit den Soll-Vorgaben verglichen, um eventuelle Korrekturen über die Aktuatorik einzuleiten (21). Ausgehend von der aktuellen Position des jeweiligen Rotors (2) kann auch das Drehmoment (5 oder 6) oder die Beschleunigungskraft F_p (7) oder F_n (9) so moduliert werden, dass die resultierende Y-Komponente der Reaktionskraft F_res_p (8) oder F_res_n (10) einen gleich großen Betrag aufweist. Die Größenmodulation kann auch soweit gehen, dass bei einer Kombination aus zwei doppelten phasenversetzten Inertialantrieben, die in entgegen gesetzte Richtungen drehen, über die autonome Steuerung der vier umkreisenden Körper (2, 13, 14 oder 15) die Reaktionskräfte zu allen Zeiten die Zentrifugalkräfte so ausgleichen, dass eine stetige, zeitlich konstante Antriebskraft generiert wird.

Der vorgestellte Inertialantrieb würde sich bestens für den Antrieb aller möglichen Fahrzeuge eignen, da er eine vollkommene Unabhängigkeit von dem umliegenden Umfeld erlauben würde und bessere Wirkungsgrade infolge der fehlenden Reibung oder Mediumerwärmung erzielen würde. Es ist besonders das Einsatzgebiet als Antrieb für Raumfahrzeuge hervorzuheben, da für deren Antrieb nur elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden muss. Somit wären deutlich längere Fahrten durch das All möglich.

1
Stator
2
Rotorkörper
3
Massenzentrum/Excentermasse
4
Drehachse Z
5
Drehmoment für positive Beschleunigung
6
Drehmoment für negative Beschleunigung
7
Kraft am Massenzentrum bei positiver Beschleunigung
8
Reaktionskraft bei positiver Beschleunigung
9
Kraft am Massenzentrum bei negativer Beschleunigung
10
Reaktionskraft bei negativer Beschleunigung
11
Drehrichtung
12
Winkel ϖ
13
Rotorsegment
13.1
erstes Rotorsegment
13.2
zweites Rotorsegment
14
Gleitkörper/Gleitrotor/Schwebekörper
14.1
erster Gleitkörper
14.2
zweiter Gleitkörper
15
Rollkörper/Rollrotor
15.1
erster Rollkörper
15.2
zweiter Rollkörper
15.3
dritter Rollkörper
16
Gleitfläche/Rollfläche
17
Statorsegmente
18
Spule
19
Magnetischer Gleitkörper
20
Elliptische Bewegungsbahn
21
Kreisbahn mit geraden Abschnitten


Anspruch[de]
Ein Inertialantrieb, bestehend aus einem Stator und einem um den Symmetriemittelpunkt des Stators sich drehenden Rotorkörper, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

1.1. der Rotorkörper wird infolge einer Wechselwirkung mit dem Stator oder einer zusätzlichen Antriebsvorrichtung angetrieben,

1.2. dieser Rotorkörper weist einen exzentrischen Massenmittelpunkt in Bezug auf diesen Symmetriemittelpunkt auf,

1.2.1. welcher exzentrischer Massenmittelpunkt des Rotorkörpers sich um den Symmetriemittelpunkt des Stators zu allen Zeiten in der gleichen Drehrichtung dreht,

1.2.2. wobei der exzentrische Massenmittelpunkt innerhalb einer Umdrehung vier nacheinander folgende Arbeitsbereiche durchläuft, in der Reihenfolge: Phase konstanter Winkelgeschwindigkeit ϖ'_o, positive Beschleunigungsphase, Phase konstanter Winkelgeschwindigkeit ϖ'_end und negative Beschleunigungsphase.
Ein Inertialantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

2.1. die Wechselwirkung mit dem Stator mechanischer, elektromagnetischer, verbrennungskrafttechnischer oder strömungstechnischer Natur ist.
Ein Inertialantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

3.1. die positive und die negative Beschleunigungsphase unterschiedlich große Winkelsegmente abdecken.
Ein Inertialantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

4.1. die positive und die negative Beschleunigungsphase einen gleich großen Winkelsegment „alpha" abdecken,

4.2. wobei die positive und die negative Beschleunigungsphase die Richtung des gewünschten Antriebs (Y-Achse) als Spiegelungsachse aufweisen.
Ein Inertialantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass

5.1.1. die Arbeitsbereiche so verteilt sind, dass die Verweilzeit des Massenmittelpunktes des Rotorkörpers in jedem von diesen Arbeitsbereichen gleich groß ist.
Ein Inertialantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

6.1. der Rotorkörper als einen vollen Rotor ausgebildet ist,

6.2. mit der Achse gekoppelt ist,

6.3. die Wechselwirkung zwischen Stator und Rotorkörper bei jeder Position des Rotorkörpers über die gesamte Umfangs- oder Stirnfläche des Stators stattfindet.
Ein Inertialantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

7.1. der Rotorkörper als ein Rotorsegment ausgeführt wird,

7.2. mit der Achse gekoppelt ist,

7.3. die Wechselwirkung zwischen Stator und Rotorkörper bei jeder Position des Rotorkörpers entlang nur eines begrenzten Winkelsegments der Umfangs- oder Stirnfläche des Stators stattfindet.
Ein Inertialantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

8.1. der Rotorkörper mit der Achse nicht gekoppelt ist,

8.1.1. als einen um den Symmetriemittelpunkt des Stators umlaufenden Körper ausgebildet ist,

8.1.2. welcher umlaufende Körper entlang seiner Bewegungsbahn gleitet, schwebt oder abrollt,

8.2. wobei die Wechselwirkung zwischen Stator und Rotorkörper bei jeder Position des Rotorkörpers entlang nur eines begrenzten Winkelsegments der Umfangs- oder Stirnfläche des Stators stattfindet.
Ein Inertialantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass

9.1. die Bewegungsbahn eine elliptische Form aufweist.
Ein Inertialantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass

10.1. die Bewegungsbahn die Form eines verlängerten Kreises mit geraden Abschnitten aufweist.
Ein Inertialantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass

11.1. der Stator in einzelnen Segmenten unterteilt ist,

11.1.1. welche Segmente bzgl. ihrer Wechselwirkung mit dem umlaufenden Körper autonom gesteuert werden.
Ein Inertialantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass

12.1. der Rotorkörper bzgl. seiner Wechselwirkung mit dem Stator autonom gesteuert werden.
Ein Inertialantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass

13.1. der Rotorkörper über ein Sensorsystem in seiner Position und Winkelgeschwindigkeit erfasst wird.
Ein Inertialantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass

14.1. bei einer elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Stator und Rotorkörper die Krafterzeugungseinheiten in axialer Richtung angeordnet sind.
Ein Inertialantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass

15.1. bei einer elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Stator und Rotorkörper die Krafterzeugungseinheiten in radialer Richtung angeordnet sind.
Ein Inertialantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass

16.1. bei einer elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Stator und Rotorkörper die Krafterzeugungseinheiten des Stators diese des Rotorkörpers in radialer und axialer Richtung umschließen.
Ein Inertialantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass

17.1. bei einer elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Stator und Rotorkörper die elektromagnetische Einheiten an einer Kühleinrichtung angeschlossen werden, so dass diese elektromagnetischen Einheiten in einem supraleitenden Zustand versetzt werden.
Eine Kombination aus zwei oder mehrerer Inertialantrieben nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass

18.1. die Rotorkörper einen definierten mittleren Abstand zueinander aufweisen und sich um die gemeinsame Achse in der gleichen Richtung drehen.
Ein Inertialantrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass

19.1. sich alle Rotorkörper innerhalb eines Stators befinden.
Ein Inertialantrieb nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass

20.1. zwei solche Inertialantriebe kombiniert werden,

20.1.1. deren Rotorkörper in entgegen gesetzte Richtungen um die gemeinsame Drehachse kreisen

20.1.2. und die Y-Richtung als Spiegelungsachse zu allen Zeiten aufweisen.
Ein Inertialantrieb mit einem Regelkreis nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüchen, bestehend mindestens aus:

21.1.1. einem Positionserfassungssystem für die Rotorkörper,

20.1.2. eine Auswert- und Steuereinheit für den Soll-Ist-Vergleich und die Steuersignalerzeugung,

20.1.3. ein Aktuatorsystem für den Antrieb und Korrektur.






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