DE4223815A1 - Magnetisches Reihengetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Reihenge­ triebe mit fluchtender Anordnung von An- und Ab­ triebswelle und berührungsloser Übertragung des Drehmomentes.

Im Stand der Technik sind nach DE-A 20 05 803 ma­ gnetische Getriebe aus drei Elementen bekannt, von denen eines zwischen den beiden anderen angeordnet ist und mindestens eines der Elemente Permanent- oder Elektromagneten aufweist. An den beiden Ele­ menten, zwischen denen das dritte angeordnet ist, sind Polringe angebracht mit den beiden anderen Elementen zugewandten Polen. Deren Anzahl bestimmt dabei das Übersetzungsverhältnis des magnetischen Getriebes. Über den Umfang verteilt sind Leitstücke aus leicht ummagnetisierbaren ferromagnetischem Ma­ terial angebracht, wobei die Leitstücke so ausge­ bildet sind, daß der Magnetfluß auf mindestens zwei Pole des Polringes verteilt wird.

Diesen bekannten Anordnungen haftet der Nachteil an, daß nur relativ geringe Drehmomente übertragen werden können. Die Wahl der erreichbaren Überset­ zungsverhältnisse ist dabei auch nur in engen Gren­ zen möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Reihengetriebe zu schaffen, das die Übertragung großer Drehmomente gestattet, mit hohem Wirkungsgrad arbeitet und mit geringem ferti­ gungstechnischen Aufwand herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf jeder Welle mindestens ein Rad angeordnet ist, auf dessen Umfang sich Permanentmagnete befin­ den, daß ringförmig um die Räder in axialer Rich­ tung orientierte magnetische Flußführungselemente angebracht sind, deren Enden jeweils An- und Ab­ triebsrad überdecken, daß einige der magnetischen Flußführungselemente in Drehrichtung versetzt ange­ ordnet sind und sich die Anzahl der Permanentma­ gnetpole der einzelnen Räder voneinander unter­ scheiden.

Die einzelnen Statorblechpakete teilweise ungleich­ mäßig auf dem Kreisumfang anzuordnen ist erforder­ lich, um eine eindeutige Drehmomentübertragung und eine definierte Drehrichtung zu gewährleisten. Mit dem erfindungsgemäßen Getriebe sind gegenüber direkt gekoppelten magnetischen Getriebe sehr hohe Drehmomente erreichbar. Die vergleichsweise hohen Drehmomente sind dadurch möglich, daß eine große Anzahl der vorhandenen Magnetpole der antreibbaren Magneträder gleichzeitig im magnetischen Eingriff der Magnetflußführung stehen.

Die erreichbaren Drehmomente sind unter anderem auch abhängig von der Wahl der Permanentmagnetmate­ rialien, wobei Permanentmagnete mit hoher Remanenz­ induktion und hoher Koerzitivfeldstärke die höchsten Drehmomente ermöglichen.

Aufgrund der hohen erreichbaren Drehmomente bei den hier beschriebenen Getriebeausführungen mit zentri­ scher Anordnung der Achsen ist ein Einsatz als Äquivalent zum herkömmlichen mechanischen Planeten­ getriebe denkbar, da dessen Eigenschaften in eini­ gen wesentlichen Punkten übertroffen werden. Beson­ ders hervorzuheben ist die Möglichkeit, das erfin­ dungsgemäße Getriebe wirtschaftlich auch bei Anwen­ dung mit größeren Leistungen einzusetzen, für die bislang nur herkömmliche mechanische Getriebe ver­ wendet werden konnten.

Das erfindungsgemäße magnetische Reihengetriebe zeichnet sich gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Magnetgetrieben insbesondere da­ durch aus, daß vergleichsweise hohe Drehmomente übertragen werden können.

Weitere wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen magnetischen Reihengetriebe ergeben sich dadurch, daß sie im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Getrieben weitestgehend verschleißfrei, wartungs­ frei und geräuscharm arbeiten.

Sie können bei Drehmomentüberlastung nicht zerstört werden, da die Magneträder in diesem Fall durchrut­ schen. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Schmie­ rung der Getrieberäder entfällt.

Zweckmäßigerweise werden dabei die Permanentmagnete der höherpoligen Magneträder mehrpolig radial oder lateral am Umfang magnetisiert und die Permanentmagnete der niederpoligen Magneträder mit einer ra­ dialen oder diametralen Magnetisierung versehen. Die vorzugsweise diametrale Magnetisierung der Per­ manentmagnete der rotierenden niederpoligen Magne­ träder erzeugt ein nahezu sinusförmiges Wechsel­ feld, das den gleichmäßigen Drehmomentverlauf un­ terstützt.

Je größer das maximale übertragbare Drehmoment sein soll, umso mehr Pole der An- und Abtriebsräder müs­ sen gleichzeitig in magnetischem Eingriff stehen. Aus diesem Grund empfiehlt sich die Formung der Flußführungselemente derart, daß sie die Räder in ihrem Umfang nahezu vollständig umschließen.

Um eine gute Ausnutzung des eingesetzten Magnetma­ terials zu erreichen, muß der magnetische Streufluß gering gehalten werden. Eine vorteilhafte Ausge­ staltung der Erfindung sieht dazu vor, die Gehäuse­ teile, an denen die magnetische Flußführung befe­ stigt ist, und die sich in der Nähe der magneti­ schen Flußführung befinden, aus unmagnetischem Ma­ terial zu fertigen.

Ferner ist es möglich die Permanentmagnete auf ei­ nem Träger anzuordnen, welcher aus einem Blechpaket aus einzelnen, gegeneinander isolierten Elektroble­ chen besteht.

Um die Wirbelstromverluste gering zu halten, sieht eine zweckmäßige Gestaltungsform vor, auch die ma­ gnetischen Flußführungselemente aus einer Vielzahl einzelner, parallel zu den Achsen angeordneter, sich nicht direkt berührender Statorblechpakete, die aus gegeneinander isolierten Elektroblechen be­ stehen, zu gestalten.

Ferner ist es möglich, bei den Magneträdern die Ma­ gnetpole geschrägt zu magnetisieren und/oder in der Nähe der Permanentmagnete zusätzliches weichmagne­ tisches Material anzubringen.

Weiterhin lassen sich mehrstufige Getriebeanordnun­ gen des erfindungsgemäßen magnetischen Reihenge­ triebes dadurch erzeugen, daß im Getriebegehäuse weitere zusätzliche, separat gelagerte Achsen und Flußführungselemente angeordnet sind.

In einer umgekehrten Anordnung, d. h. die Permanent­ magnetpole sind im Stator (und nicht auf dem Rotor) angebracht, findet sich über dem Umfang der Räder eine Verzahnung aufgebracht, deren räumliche Aus­ dehnung etwa der der Magnetpole entspricht und die in deren Feld eine Magnetisierung erfahren. Die Permanentmagnete sind in den als magnetische Fluß­ führung dienenden Statorblechpaketen angeordnet und weisen eine ungleichmäßige Verzahnung im Rotor­ blechpaket auf. Der Rotor wird in entscheidender Weise trägheitsreduziert.

Aufgrund der auftretenden Hysterese- und Wirbel­ stromverluste ist eine gute Kühlung erforderlich. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, das aktive Material des Reihengetriebes bei Dauerbetrieb in einem Kühlrippengehäuse anzu­ ordnen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert werden. In den zu­ gehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des magne­ tischen Reihengetriebes mit Magnet­ flußführung,

Fig. 2 die Anordnung eines angetriebenen Magnetrades im Statorgehäuse,

Fig. 3 die Anordnung eines treibenden Mag­ netrades im Statorgehäuse,

Fig. 4 die Anordnung der magnetischen Flußführungselemente,

Fig. 5 ein magnetisches Reihengetriebe mit Kühlrippengehäuse,

Fig. 6 ein magnetisches Reihengetriebe in zweistufiger Ausführung.

Der prinzipielle Aufbau des magnetischen Reihenge­ triebes ist aus Fig. 1 ersichtlich. Die Übertra­ gung der Drehmomente erfolgt berührungslos vom treibenden Magnetrad (2), das mit einem Elektromo­ tor (8) verbunden ist, auf das antreibbare Magnet­ rad (1). Die Wellen, auf denen die Magneträder be­ festigt sind, sind im Getriebegehäuse (4) gelagert. Für das antreibbare Magnetrad (1) ist die Lagerung in dem Lagerschild (5) dargestellt. Am Umfang der Magneträder sind Permanentmagnete (6) angeordnet. Das treibende Magnetrad (2) ist über die Welle (7) mit dem Elektromotor (8) verbunden. Der magnetische Fluß wird zwischen den beiden Magneträdern über weichmagnetische Statorbleche (3) und das Getriebe­ gehäuse (4) geführt.

Die Anordnung des antreibbaren Magnetrades (1) im Statorgehäuse ist in Fig. 2 dargestellt. Zur lüc­ kenlosen Drehmomentübertragung und zur Gewährlei­ stung einer definierten Drehrichtung sind die ein­ zelnen Statorblechpakete teilweise ungleichmäßig auf dem Kreisumfang angeordnet.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die Elemente der Flußführung (3) aus einzelnen, gegeneinander isolierten Elektroblechen gefertigt, um die Wirbel­ stromverluste gering zu halten.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung, die sich besonders eignet, wenn kleine Rotorträgheitsmomente erforder­ lich sind, da die schweren Permanentmagnete in die­ sem Fall im Stator untergebracht sind und somit der Rotor trägheitsarm ausgeführt werden kann.

Zur Abführung der durch Hysterese- und Wirbelstrom­ verluste bei Dauerbetrieb entstehenden Wärme ist eine gute Kühlung erforderlich. In Fig. 5 ist hierzu eine Ausführungsform dargestellt, bei der das aktive Material des Reihengetriebes in einem Kühlrippengehäuse angeordnet ist.

Fig. 6 zeigt eine Getriebeform, bei der durch An­ ordnung mehrerer erfindungsgemäßer Getriebe in Reihe ein mehrstufiges Getriebe durch zusätzliche Anordnung von ähnlichen, separat gelagerten Achsen und ähnlichen magnetischen Flußführungen entsteht. Dabei wird die erste Getriebestufe S1 vom Elektro­ motor (8) angetrieben. Die Getriebestufe S1 treibt wiederum die zweite Getriebestufe S2 an.

Claims (11)

1. Magnetisches Reihengetriebe mit fluchtender An­ ordnung von An- und Abtriebswelle und berührungslo­ ser Übertragung des Drehmomentes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - auf jeder Welle mindestens ein Rad (1, 2) ange­ ordnet ist, auf dessen Umfang sich Permanentmagnete (6) befinden,
• - ringförmig um die Räder (1, 2) in axialer Rich­ tung orientierte magnetische Flußführungselemente (3) angebracht sind, deren Enden jeweils An- und Abtriebsrad überdecken,
• - einige der magnetischen Flußführungselemente (3) in Drehrichtung versetzt angeordnet sind und
• - sich die Anzahl der Permanentmagnetpole der ein­ zelnen Räder (1, 2) voneinander unterscheiden.

2. Magnetisches Reihengetriebe mit fluchtender An­ ordnung von An- und Abtriebswelle und berührungslo­ ser Übertragung des Drehmomentes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - auf jeder Welle mindestens ein Rad (1, 2) ange­ ordnet ist, auf dessen Umfang entweder Permanentma­ gnete (6) oder eine Verzahnung angeordnet ist,
• - ringförmig um die Räder (1, 2) in axialer Rich­ tung orientierte magnetische Flußführungselemente (3) angebracht sind, deren Enden sich bis zum An- und Abtriebsrad erstrecken und
• - einige der magnetischen Flußführungselemente (3) in Drehrichtung versetzt angeordnet sind,
• - sich die Anzahl der Permanentmagnetpole oder Ver­ zahnung der einzelnen Räder (1, 2) voneinander un­ terscheiden und
• - der Verzahnung gegenüber im Stator alternierend Permanentmagnetpole angebracht sind, deren räumli­ cher Abstand etwa gleich dem der Verzahnung ist, sowie die Anzahl der Flußführungselemente (3) mit der Anzahl der gleichmagnetisierten Pole des höher­ poligen Rades übereinstimmt.

3. Magnetisches Reihengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (6) der höherpoligen Magneträder (1, 2) mehrpolig radial oder lateral am Umfang magnetisiert sind und die Permanentmagnete (6) der niederpoligen Magne­ träder (1, 2) eine radiale oder diametrale Magneti­ sierung aufweisen.

4. Magnetisches Reihengetriebe nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußführungselemente die Räder im Hinblick auf ih­ ren Umfang nahezu vollständig umschließen.

5. Magnetisches Reihengetriebe nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile, an denen die magnetische Flußführung (3) befestigt ist, und die sich in der Nähe der ma­ gnetischen Flußführung (3) befinden, aus unmagneti­ schem Material bestehen.

6. Magnetisches Reihengetriebe nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (6) auf einem Träger angeordnet sind, welcher aus einem Blechpaket aus einzelnen, gegeneinander isolierten Elektroblechen besteht.

7. Magnetisches Reihengetriebe nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Flußführungselemente (3) aus einer Vielzahl einzelner, parallel zu den Achsen angeord­ neter, sich nicht direkt berührender Statorblechpa­ kete, die aus gegeneinander isolierten Elektroble­ chen bestehen, gebildet werden.

8. Magnetisches Reihengetriebe nach einem der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Magneträdern (1, 2) die Magnetpole geschrägt magnetisiert sind.

9. Magnetisches Reihengetriebe nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Permanentmagnete (6) zusätzliches weichma­ gnetisches Material angebracht ist.

10. Magnetisches Reihengetriebe nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Ge­ triebegehäuse (4) zusätzliche, separat gelagerte Achsen und Flußführungselemente (3) angeordnet sind.

11. Magnetisches Reihengetriebe nach einem der An­ sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Teile des Getriebes in einem Kühlrippenge­ häuse angeordnet sind.