Kolbenmaschine mit magnetischer Lagerung des Kolbens

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschi ^¬ ne mit wenigstens einem ersten Kolben und wenigstens einem ersten Gehäuse. Das wenigstens eine erste Gehäuse umschließt den wenigstens einen ersten Kolben vollständig oder zumindest teilweise. Der wenigstens eine erste Kolben ist beweglich in dem wenigstens einen ersten Gehäuse magnetisch gelagert, mit Hilfe von wenigstens einer Einrichtung zur magnetischen Lagerung des wenigstens einen ersten Kolbens.

Wärmekraftmaschinen werden zur Energieumwandlung von chemischer in mechanische Energie, von thermischer in mechanische Energie und von mechanischer in thermische Energie einge ^¬ setzt. Verbrennungskraftmaschinen als Wärmekraftmaschine wandeln chemische in mechanische Energie um, Stirlingmaschinen als Wärmekraftmaschine wandeln thermische in mechanische Energie um und Wärmepumpen als Wärmekraftmaschine wandeln me ^¬ chanische in thermische Energie um. Eine der am häufigsten eingesetzten Wärmekraftmaschinen ist die Kolbenmaschine, bei welcher mechanische Energie von einem Kolben auf eine Welle mit Hilfe von einem Pleuel übertragen wird.

Ein alternativer Aufbau ist durch die Freikolbenmaschine ge ^¬ geben. Eine Freikolbenmaschine ist eine Kolbenmaschine ohne Pleuel. Freikolbenmaschinen werden z.B. als Pumpe für ein hydraulisches System oder im Zusammenspiel mit einem Linear ^¬ generator zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt .

Unabhängig davon, ob eine Wärmekraftmaschine als klassische Kolbenmaschine oder als Freikolbenmaschine ausgebildet ist, tritt im Betrieb zwischen Kolben und Zylinder in der Regel Reibung auf, welcher zu Verschleiß führt. Der Verschleiß er ^¬ gibt mit der Zeit eine eingeschränkte Funktion oder führt zu einer Zerstörung der Wärmekraftmaschine. Eine klassische Lö- sung des Problems der Reibung bzw. des Verschleißes erfolgt durch Schmierung der Maschine. Schmierung reduziert die mechanische Reibung zwischen Kolben und Zylinder, behebt das Problem des Verschleißes jedoch nicht vollständig. Insbeson- dere Querkräfte, welche auf den Kolben z.B. abhängig von der Position eines Pleuels wirken können, stellen eine mögliche Ursache für den Verschleiß des Kolben-Zylinder-Systems dar, welcher durch Schmierung nicht behoben wird. Eine Schmierung über eine Ölpumpe birgt weiterhin Probleme beim Anlassen der Maschine, wenn die Ölpumpe über die Kurbelwelle betrieben wird, und bei geringen Drehzahlen der Wärmekraftmaschine, bei welchen nur ein geringer Öldruck erzeugt wird.

Verschleiß führt zu einer wesentlichen Verringerung der Le- bensdauer von Maschinen. In Kraftfahrzeugen z.B. kann Verschleiß zu einer Verringerung der Lebensdauer auf 10000 Betriebsstunden und in Dieselmotoren von Baumaschinen kann Verschleiß zu einer Verringerung der Lebensdauer auf bis zu 15000 Betriebsstunden führen.

Der Einsatz von Schmiermitteln führt ebenfalls zu Problemen. In Verbrennungskraftmaschinen wird immer ein Teil des

Schmieröls mit verbrannt und führt so unter anderem zu einer erhöhten Umweltbelastung. Schmieröle werden durch Verunreini- gungen und durch die auf sie ausgeübten Kräfte zerstört, wes ^¬ halb bei geschmierten Maschinen ein hoher Wartungsaufwand durch regelmäßig notwendige Wechsel der Schmierstoffe an ^¬ fällt. Aufgabe der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine ist eine ver ^¬ schleißarme Funktion ohne den Einsatz von Schmierstoffen. Weitere Aufgabe der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine ist ein einfacher Aufbau bei einer Verringerung von beweglichen, verschleißintensiven Teilen gegenüber üblichen Kolbenmaschinen. Eine Erhöhung der Lebensdauer der Maschine bei geringeren

Herstellungskosten über eine Verringerung der Teilezahl ist eine weitere Aufgabe der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine. Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens unter Verwendung der Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und des Verfahrens unter Verwendung der Kolbenmaschine gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale von Ansprüchen mit Merkma- len zugeordneter Unteransprüche kombiniert werden.

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine weist wenigstens einen ersten Kolben und wenigstens ein erstes Gehäuse auf, wobei das wenigstens eine erste Gehäuse den wenigstens einen ersten Kolben vollständig oder zumindest teilweise umschließt. Der wenigstens eine erste Kolben ist beweglich in dem wenigstens einen ersten Gehäuse magnetisch gelagert, mit Hilfe von we ^¬ nigstens einer Einrichtung zur magnetischen Lagerung des wenigstens einen ersten Kolbens. Die wenigstens eine Einrich- tungen zur magnetischen Lagerung des wenigstens einen ersten Kolbens ist relativ zu dem wenigstens einen ersten Gehäuse ortsfest angeordnet.

Durch die magnetische Lagerung des wenigstens einen ersten Kolbens in dem wenigstens einen ersten Gehäuse wird Reibung zwischen Kolben und Gehäuse verhindert und auf eine Verwen ^¬ dung von Schmiermitteln kann verzichtet werden. Eine ortsfeste Anordnung der wenigstens einen Einrichtung zur magnetischen Lagerung führt zu einem einfachen Aufbau mit einer mi- nimalen Zahl an beweglichen Teilen. Eine solche Kolbenmaschine ist einfach und kostengünstig herzustellen.

Die wenigstens eine Einrichtungen zur magnetischen Lagerung des wenigstens einen ersten Kolbens kann wenigstens eine, re- lativ zu dem wenigstens einen ersten Gehäuse ortsfest ange ^¬ ordnete, elektromagnetische Spule aufweisen. Eine elektromag ^¬ netische Spule lässt sich einfach durch einen Strom steuern und das für die magnetische Lagerung des Kolbens notwendige Magnetfeld lässt sich einfach in seiner Größe einstellen. Alternativ kann eine magnetische Lagerung auch über Permanentmagnete erfolgen. Die wenigstens eine Einrichtung zur magnetischen Lagerung des wenigstens einen ersten Kolbens kann zwei Stellen zur Lage ^¬ rung aufweisen mit jeweils drei Lagerpunkten. Durch diesen Aufbau können 4 Freiheitsgrade des Kolbens ausgeregelt werden und eine besonders stabile Lagerung erreicht werden. Die 4 Freiheitsgrade sind durch die Verschiebung des Kolbens in den zwei Achsen, welche senkrecht auf der Bewegungsachse des Kol ^¬ bens liegen, und die Verkippung um diese zwei Achsen gegeben.

Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine erste Kolben wenigstens eine magnetische Spule aufweisen. Dies er ^¬ möglicht über die Spule oder die Spulen des Kolbens eine Er ^¬ zeugung und Steuerung des Magnetfeldes, welches der Lagerung des Kolbens dient. Der wenigstens eine erste Kolben kann wenigstens ein magneti ^¬ sches Joch aufweisen, insbesondere ein geblechtes Joch und/oder ein Joch aus weichmagnetischen Kompositwerkstoffen. In dem Joch wird durch das Magnetfeld bei Bewegung des Kol ^¬ bens ein Strom induziert, welcher ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt. In Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der wenigstens einen Einrichtung zur Lagerung des wenigstens einen ersten Kolbens wird der Kolben schwebend in dem wenigstens einen ersten Gehäuse gelagert. Auf eine Spule an oder in dem we ^¬ nigstens einen ersten Kolben kann verzichtet werden, oder diese kann zusätzlich zur Feinsteuerung der Lagerung verwendet werden.

Der wenigstens eine erste Kolben kann mit wenigstens einer Feder, insbesondere mit einem Federsystem mechanisch verbun- den sein. Die Feder oder das Federsystem können die magnetische, reibungsfreie Lagerung des wenigstens einen ersten Kol ^¬ bens unterstützen. Die Feder oder das Federsystem können auch zur Kraftübertragung vom Kolben auf andere Teile verwendet werden .

Der wenigstens eine erste Kolben kann ein zylinderförmiger Rundkolben mit kreisrunder oder elyptischer Grundfläche sein und das wenigstens eine erste Gehäuse kann ein zylinderförmi ^¬ ges Gehäuse mit kreisrunder oder elyptischer Grundfläche sein. Dies führt zu einem besonders einfachen Aufbau. Eine elyptische Ausformung des Kolbens und des Gehäuses können eine stabile Lagerung auch über zwei Lagerstellen mit jeweils nur zwei Lagerpunkten ermöglichen oder bei drei Lagerpunkten zu einer Erhöhung der Lagerstabilität führen.

Der wenigstens eine erste Kolben kann wenigstens eine Verlän- gerung aufweisen, welche die Form eines Hohlzylinders hat. Das wenigstens eine erste Gehäuse kann für die wenigstens eine Verlängerung eine Ausnehmung aufweisen. Über die Verlängerung und die entsprechende Ausnehmung im Gehäuse kann eine weitere Stabilisierung des Kolbens erreicht werden und ein Verkanten des Kolbens im Betrieb der Maschine verhindert wer ^¬ den .

Die Kolbenmaschine kann eine elektromagnetische Linearmaschi ^¬ ne aufweisen. Durch die Kombination von magnetischer Lagerung des Kolbens und der elektromagnetischen Linearmaschine kann eine Energiewandlung direkt in der Linearmaschine erfolgen. Aufwendige mechanische Konstruktionen, welche unter Umständen geschmiert werden müssten, können so eingespart werden. Die elektromagnetische Linearmaschine und die wenigstens eine Einrichtungen zur magnetischen Lagerung des wenigstens einen ersten Kolbens können zwei voneinander getrennte Einrichtungen sein. Sie können aber auch gemeinsame Teile aufweisen. Im zweiten Fall können Teile, welche der magnetischen Lagerung dienen, bei der Energiewandlung durch die Linearmaschine ver- wendet werden. Dies führt zu einer Verringerung der Teilezahl gegenüber einem Aufbau mit getrennt voneinander aufgebauter Lagerung und Linearmaschine. Die elektromagnetische Linearmaschine kann Ringspulen aufwei ^¬ sen, welche entlang einer Bewegungsrichtung des wenigstens einen ersten Kolbens angeordnet sind. Dies führt zu einem be ^¬ sonders einfachen Aufbau und zu einer Energiewandlung durch die Linearmaschine mit einem hohen Wirkungsgrad.

Die elektromagnetische Linearmaschine kann als Reluktanzma ^¬ schine, als PM-Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgeführt sein.

Weiterhin kann die elektromagnetische Linearmaschine n-pha- sig, mit einer positiven, ganzen Zahl n, aufgebaut sein und/oder die Urwicklung der elektromagnetische Linearmaschine kann entlang einer Geraden m-fach, mit einer positiven, gan- zen Zahl m, hintereinander wiederholt angeordnet sein.

Zwischen dem wenigstens einen ersten Kolben und dem wenigstens einen ersten Gehäuse kann wenigstens eine erste Kammer gebildet sein, welche wenigstens einen Einström- und wenig- stens einen Abströmkanal aufweist und/oder wenigstens ein Ventil aufweist. Dadurch wird durch die Kolbenmaschine ein Kompressor oder eine Verbrennungsmaschine ausgebildet.

Bei einem Verfahren unter Verwendung der zuvor beschriebenen Kolbenmaschine kann die Einstellung der Größe eines Spaltes, welcher zwischen dem wenigstens einen ersten Kolben und dem wenigstens einem ersten Gehäuse besteht, durch eine Deforma ^¬ tion des wenigstens einen ersten Kolbens und/oder durch Deformation des wenigstens einen ersten Gehäuses erfolgen. Ins- besondere kann die Deformation oder die Deformationen durch die Wirkung eines Magnetfeldes hervorgerufen werden. Das Mag ^¬ netfeld wiederum kann durch Einrichtungen erzeugt werden, welche gleichzeitig zur Lagerung und/oder für die Linearma ^¬ schine genutzt werden.

Bei dem Verfahren kann eine Schlitzung des wenigstens einen ersten Gehäuses eine Verringerung der Kraft bewirken, welche zur Einstellung der Größe des Spaltes aufgewendet wird. Eine Dichtung kann in den Spalt eingebracht werden und die magnetische Lagerung des wenigstens einen ersten Kolbens kann eine genau definierte Druckkraft auf die Dichtung bewirken. Die Dichtung kann aus PCTFE oder Teflon bestehen.

Das wenigstens eine erste Gehäuse kann auch gekühlt und/oder beheizt werden. Eine Kühlung und Beheizung kann gerade bei einer Ausführung der Kolbenmaschine als Sterlingmotor vorteilhaft sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der folgenden Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Es zeigen:

Fig. 1. einen Längsschnitt einer Kolbenmaschine mit magneti ^¬ scher Lagerung sowie mit einer elektromagnetischen Linearmaschine, und

Fig. 2 einen Querschnitt senkrecht zu der Längsachse der in

Fig. 1 gezeigten Kolbenmaschine, und

Fig. 3 einen Längsschnitt der Kolbenmaschine aus Fig. 1 mit einer hohlzylinderförmigen Verlängerung des Kolbens und mit einer entsprechenden Ausnehmung im Gehäuse.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kol ^¬ benmaschine 1. Die Kolbenmaschine 1 weist ein zylinderförmi ^¬ ges Gehäuse 2 auf, in welchem ein zylinderförmiger Kolben 3 beweglich angeordnet ist. Auf der äußeren Umfangsfläche des zylinderförmigen Kolbens 3 ist ein magnetisches Joch 4 ange ^¬ ordnet. Außerhalb des Gehäuses 2, an seinem zylinderförmigen Außenumfang, sind an zwei Stellen 5a und 5b entlang des Au- ßenumfangs jeweils an vier Lagerpunkten 6a bis 6d oder 6e bis 6g jeweils zwei Magnetkreise 7a bis 7p für eine magnetische Lagerung des Kolbens 3 angeordnet. Eine nicht in den Figuren dargestellte alternative Ausführungsform weist drei Lager ^¬ punkte 6a bis 6c mit jeweils einem Magnetkreis 7a bis 7f auf, was für eine stabile Lagerung des Kolbens ausreichend sein kann. Kombinationen der zuvor genannten Anzahl oder je nach Anwendung und Kraftwirkungen Änderungen in der Anzahl an Magnetkreisen, Lagerpunkten und Stellen sind entsprechend der gewünschten Anwendung möglich. In der Schnittdarstellung in Figur 1 sind der Einfachheit halber nur zwei Lagerpunkte 6a und 6c bzw. 6e und 6g je Stelle 5a und 5b dargestellt. Die Stellen der Magnetlagerung 5a und 5b sind entlang einer Mittelachse 8 des Gehäuses 2 jeweils in gleichem Abstand von einer Grund- und Deckfläche des zylinderförmigen Gehäuses 2 angeordnet. Entlang einer kreisrunden Schnittfläche durch das Gehäuse 2, senkrecht zur Mittelachse 8, jeweils an einer Stelle 5a oder 5b der Magnetlagerung, sind entlang des Außen- umfangs der kreisrunden Schnittfläche, in gleichen Abständen voneinander, die Lagerpunkte 6a bis 6c bzw. 6e bis 6g ange- ordnet.

Die Magnetkreise 7a bis 7p an den Lagerpunkten 6a bis 6g kön ^¬ nen aus Permanentmagneten oder aus elektromagnetischen Spulen aufgebaut sein. Im Falle von elektromagnetischen Spulen kön- nen diese jeweils ein Joch aufweisen. Die Magnetkreise 7a bis 7p erzeugen Magnetfelder, welche mit senkrecht zur Mittelachse 8 ausgerichteten Magnetfeldlinien in das Gehäuse 2 hineinragen. Die Wechselwirkung zwischen diesen Magnetfeldern und dem Magnetfeld, welches durch das magnetische Joch 4 des Kol- bens 3 erzeugt wird, führt zu einer berührungsfreien, magne ^¬ tischen Lagerung des Kolbens 3 im Gehäuse 2. Dabei ist der Kolben 3 innerhalb des Gehäuses 2 entlang der Mittelachse 8 frei beweglich. Die Wechselwirkung der Magnetfelder des Jochs 4 und der Magnetkreise 7a bis 7p halten den Kolben 3 in einem Schwebezustand im Gehäuse 2, ohne dass der Kolben 3 das Ge ^¬ häuse 2 berührt. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die Größe des Magnetfeldes der Magnetkreise 7a bis 7p aus Spulen jeweils elektrisch über einen Stromfluss innerhalb der Spulen bestimmt. Eine Steuer ^¬ elektronik der Magnetkreise 9 steuert bzw. regelt die Größe der Ströme in den Spulen und damit die Größe der Magnetfelder der Magnetkreise 7a bis 7p. Bei einer Regelung können Abstandssensoren 11, welche am Gehäuse 2 angeordnet sind, In ^¬ formationen über die Lage des Kolbens 3 im Gehäuse 2 liefern und über eine Elektronik der Abstandssensoren 12 und einem Zentralregler der Steuerelektronik 10 Signale an die Steuerelektronik der Magnetkreise 7a bis 7p geben. Über die Signale werden die Magnetfelder geregelt und bei Abweichung der Mittelachse des Kolbens von der Mittelachse des Gehäuses 8 kann ein Abstandssensor 11 ein Signal an die Elektronik 12, 10, 9 geben, was zu einer Anpassung des Stromes in den Magnetkrei ^¬ sen 7a bis 7p führt, wodurch das Magnetfeld sich ändert und in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Jochs 4 des Kolbens 3 eine zusätzliche Kraft auf den Kolben ausgeübt wird, welche dessen Lage ändert. Die Lage wird so geändert, dass seine Mittelachse mit der Mittelachse des Gehäuses 8 übereinstimmt.

Wie in Fig. 1 weiterhin dargestellt, sind auf dem Außenumfang des Gehäuses 2 Spulen 16a bis 16e sowie ein Joch 17 angeord ^¬ net, welches die Spulen 16a bis 16e umschließt. Die Spulen 16a bis 16e in Verbindung mit dem Joch 17 sowie in Verbindung mit dem Joch 4 des Kolbens 3 bilden eine Linearmaschine 15. Somit dient das Joch 4 des Kolbens 3 sowohl der magnetischen Lagerung des Kolbens 4, als auch als Teil der Linearmaschine 15. Mit Hilfe der Linearmaschine 15 kann mechanische Energie des Kolbens 4 direkt in elektrische Energie und/oder umge ^¬ kehrt umgewandelt werden. Aufwendige Mechanik, welche dem Verschleiß unterliegt und geschmiert werden müsste, wird ein ^¬ gespart. Die Linearmaschine 15 ist über eine Elektronik 18 und einem Zwischenstromkreis 19 sowie einer Elektronik zur Netzanbindung 20 an ein Stromnetz über Anschlüsse 21 anschließbar. Somit ist ein Strom, welcher von der Linearmaschine 15 erzeugt wird einem äußeren Stromnetz zuführbar. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt senkrecht zu der Längsachse der Kolbenmaschine 1 an einer Stelle 5a oder 5b. Zwei Ab ^¬ standssensoren 11 sind in der Schnittdarstellung zu sehen, welche am Gehäuse 2 angebracht sind bzw. im Gehäuse 2 integ- riert sind, und räumlich leicht versetzt von der Stelle 5a oder 5b angeordnet sind. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind an der zweiten Stelle 5b oder 5a weitere zwei Abstandssensoren 11 leicht räumlich versetzt angeordnet. Über die vier Ab ^¬ standssensoren 11 ist die Lage des Kolbens 3 relativ zum Ge- häuse 2 eindeutig bestimmbar.

Zwischen Kolben 3 und Gehäuse 2 sind jeweils entlang der Längsachse 8 am Anfang und Ende des Gehäuses 2 und Kolbens 3 eine erste und eine zweite Kammer 13 und 14 ausgebildet. Bei der Bewegung des Kolbens 3 entlang der Längsachse 8 ändert sich das Volumen der Kammern 13 und 14. Nimmt das Volumen der Kammer 13 ab, so nimmt das Volumen der Kammer 14 zu und umge ^¬ kehrt. Die Kammern 13 und 14 können als Verbrennungskammern in einer Verbrennungsmaschine dienen, oder in einer Sterling- maschine kann abwechselnd eine Kammer erwärmt und eine Kammer abgekühlt werden sowie umgekehrt. Dadurch wird auf den Kolben 3 eine Kraft ausgeübt, welche die Bewegung längs der Achse 8 erzeugt. Die Bewegungsenergie der Bewegung des Kolbens 3 kann durch die Linearmaschine 15 direkt in elektrische Energie um- gewandelt werden.

Am bzw. integriert im Gehäuse 2 sind in Fig. 2 an der Stelle 5a bzw. 5b jeweils vier Lagerpunkte 6a bis 6d bzw. 6e bis 6h gezeigt. An jedem Lagerpunkt 6a bis 6h sind jeweils zwei Mag- netkreise 7 angeordnet, welche jeweils ein Joch oder ein ge ^¬ meinsames Joch aufweisen, wobei der Einfachheit halber nur letzteres in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Kolbenmaschine 1 dargestellt. Diese Ausführungs ^¬ form führt im Vergleich zu der Ausführungsform in den Fig. 1 und 2 zu einer höheren Lagestabilität des Kolbens 3 relativ zum Gehäuse 2 bzw. verhindert ein Verkanten des Kolbens 3 im Gehäuse 2. Im Gehäuse 2 ist, wie in Fig. 3 dargestellt, am Kolbenanfang und Kolbenende jeweils ein Hohlzylinder angeord ^¬ net. Der Kolben 3 ist also jeweils an seinen Enden mit Hilfe einer hohlzylinderförmigen Verlängerung 22 verlängert. Ent- sprechende Ausnehmungen 23 mit einer den hohlzylinderförmigen Verlängerungen 22 inversen Form sind jeweils am Gehäuseanfang und Gehäuseende ausgebildet.