DE4428441A1 - Exzentergetriebe mit magnetischer Drehmomentübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Exzentergetriebe mit einer magnetischen Drehmomentübertragung, mit einer Koaxial- und einer Exzenterwelle, die fluchtend verlaufen und deren Stirnseiten in einem Gehäuse angeordnet und mit einem Rotor verbunden sind, der drehbar auf einem mit der Exzenterwelle verbundenen Exzenter gelagert ist, wobei sowohl an der Innenseite des Gehäuses als auch auf dem Umfang des Rotors Magnetringe angebracht sind, die aus Ma­ gneten mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität bestehen, und der Rotor über eine drehmomentschlüs­ sige, einen parallelen Achsversatz erlaubende Kupp­ lung mit der Koaxialwelle verbunden ist.

Getriebe mit magnetischer Drehmomentübertragung sind im Stande der Technik in verschiedenen Ausfüh­ rungsformen bekannt. Gegenüber mechanischen, mit Zahnrädern odgl. arbeitenden Getrieben ist als vor­ teilhaft anzusehen, daß sich die das Drehmoment übertragenden Elemente nicht berühren, nicht ge­ schmiert werden müssen und keinem Verschleiß unter­ liegen. Eine Kraftübertragung ist nur möglich, falls die durch die Drehmomentbeaufschlagung wir­ kenden Kräfte geringer als die magnetischen Wech­ selwirkungskräfte zwischen An- und Abtriebswelle sind. Ein weiterer Vorteil besteht somit darin, daß bei einer Überlastung eine vollständige, jedoch vorübergehende Trennung der Kraftübertragung er­ folgt und die Verbindung nach Beendigung der Über­ lastung selbständig wiederhergestellt wird.

Durch DE 21 51 340 A1 ist ein Exzentergetriebe be­ kannt bei dem in einer speziellen Ausgestaltung der Kraftschluß zwischen dem Rotor und dem Gehäuse durch sich in der Polarität abwechselnde Permanent­ magnete (sogenannte "magnetische Zähne") erreicht wird. Das Exzentergetriebe hat den Vorteil, daß es gegenüber anderen Bauformen ein relativ kleines Vo­ lumen erforderlich ist, um ein hohes Drehmoment zu übertragen. Außerdem läßt sich mit dem Exzenterge­ triebe ein großes Übersetzungsverhältnis realisie­ ren, wobei eine verschleißfreie und reibungsarme Kraftübertragung gewährleistet ist. Nachteilig ist jedoch, daß das Übersetzungsverhältnis nur durch Änderung des Verhältnisses des Gehäuseradius zum Rotorradius, also durch bauliche Veränderungen, einstellbar ist.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfin­ dung das Problem zugrunde, ein Exzentriergetriebe mit magnetischer Drehmomentübertragung anzugeben, bei dem das Übersetzungsverhältnis ohne Veränderung mechanischen Aufbaus einstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß zur Erreichung eines vorgegebenen Übersetzungs­ verhältnisses i das Verhältnis der Polzahl des Ma­ gnetrings des Gehäuses zur Polzahl des Magnetrings des Rotors gleich ( 1 - i^-1) ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Überset­ zungsverhältnisses i von der Polzahl p₁ des Gehäu­ ses und der Polzahl p₂ des Rotors abhängig ist und

beträgt falls das Gehäuse ortsfest ist. Falls die Polzahlen von Rotor und Gehäuse übereinstimmen, findet keine Drehung des Rotors statt; die entge­ gengesetzten Drehrichtungen werden in der obigen Gleichung durch ein negatives Übersetzungsverhält­ nis gekennzeichnet. Weisen der Rotor und das Ge­ häuse näherungsweise gleiche Polzahlen auf, erhält man - was anhand der Gleichung leicht erkennbar ist - ein relativ hohes Übersetzungsverhältnis. Es steht frei, ob die Exzenter- oder die Koaxialwelle als Antriebswelle benutzt wird; das Getriebe eignet sich sowohl zur Vergrößerung als auch zur Reduzie­ rung der Umdrehungsfrequenz.

Ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis wird folg­ lich dadurch eingestellt, daß Magnetringe mit der passenden Anzahl von Polen gemäß der obigen Glei­ chung eingesetzt werden.

Der Vorteil der Erfindung ist vor allen Dingen darin zu sehen, daß das Übersetzungsverhältnis ein­ stellbar ist, wobei der mechanische Aufbau des ge­ samten Gerätes beibehalten werden kann.

Zweckmäßigerweise sind die Magnetringe lösbar befe­ stigt und somit austauschbar, wodurch zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses lediglich ein Wechsel des mit dem Rotor und/oder des mit dem Gehäuse ver­ bundenen Magnetrings notwendig ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die vorhandenen Magne­ tringe umzumagnetisieren.

Als Magnete sind Permanentmagnete und/oder Elektro­ magnete und/oder weichmagnetischer Magnetstoff, die auf Magnetpolen aus permanentmagnetischem Material aufgebracht sind, vorgeschlagen. Als vorteilhaft ist bei den Permanentmagneten anzusehen, daß sie in verschiedenen Ausführungsformen kommerziell erhält­ lich sind und eine hohe magnetische Remanenz auf­ weisen. Allerdings sind die Permanentmagnete zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses nicht umma­ gnetisierbar. Die Elektromagnete erfordern zwar eine Stromversorgung, jedoch gestattet eine Varia­ tion der Stromstärke, eine Anpassung des übertrag­ baren Drehmoments. Bei einer Verwendung weichma­ gnetischen Materials, auf das Permanentmagnete auf­ gebracht sind, ist als vorteilhaft anzusehen, daß aufgrund einer Konzentration des Magnetflusses hohe Drehmomente übertragen werden können und daß die Gestehungskosten vermindert sind. Selbstverständ­ lich besteht die Möglichkeit, in einem Getriebe un­ terschiedliche Magnete zu verwenden; beispielsweise ist denkbar, den Rotor mit Permanentmagneten zu versehen und am Gehäuse Elektromagnete anzubringen, um das maximale Drehmoment durch eine Variation des die Elektromagnete durchfließenden Stroms einstel­ len zu können, wobei keine - technisch aufwendige - Stromzufuhr zum drehbaren Rotor erforderlich ist.

Ist der Magnetring im Umfangsbereich in relativ viele einzeln ansteuerbare Spulen aufgeteilt, wobei mehrere benachbarte Spulen einen gleichsinnigen Stromfluß aufweisen und somit einen Magnetpol bil­ den, so lassen sich die Magnetpole auf dem Magnet­ ring sehr leicht umgruppieren. Es ist lediglich notwendig einzelne Spulen umzupolen, um die Grenzen zwischen den Magnetpolen zu verschieben, wodurch z. B. zusätzliche Pole "eingeschoben" werden können oder Pole in den neu angeordneten Polen aufgehen.

Die rotierenden Magnete erzeugen nach dem Fara­ day′schen Induktionsgesetz Wirbelströme in den leitfähigen Teilen des Getriebes und haben eine un­ erwünschte Erwärmung zur nachteiligen Folge. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht da­ her vor, bei Dauerbetrieb das Gehäuse mit Kühlrip­ pen zu versehen.

Zur Verstärkung des im Inneren wirkenden Magnet­ felds ist bevorzugt, diejenigen Gehäuseteile, an denen die Magnete befestigt sind, durch den Magnet­ ring dauerhaft magnetisieren zu lassen, indem das Gehäuse oder zumindest die den Magneten benachbar­ ten Teile aus magnetischem Material hergestellt werden.

Neben einer Verwendung der Koaxial- und Exzenter­ welle als An- und Abtrieb besteht zusätzlich die Möglichkeit, das Gehäuse mit einer An- oder Ab­ triebswelle zu verbinden, um ein Differentialge­ triebe zu schaffen. Da der Rotor bei einer Drehung des Gehäuses - wie bei einer Rotation des Exzenters - um die Pole abrollt, läßt sich die von der Koaxi­ alwelle vollführte Umdrehungszahl n₂ nach folgender Gleichung berechnen:

n₂ = (n₃ + n₁) (p₂ - p₁)/p₂ ,

wobei p₁ die Polzahl des Gehäuses, p₂ die Polzahl des Rotors, n₁ die Umdrehungszahl des Gehäuses und n₃ die Zahl der von der Exzenterwelle vollführten Umdrehungen ist. Bei einem Antrieb der Koaxialwelle lassen sich das Gehäuse und die Exzenterwelle als Abtrieb verwenden, wobei - analog zu einem aus Kraftfahrzeugen bekannten Ausgleichsgetriebe - je­ weils ein Abtrieb eine erhöhte Umdrehungszahl aus­ führt, falls der andere gebremst oder angehalten wird. Ist alternativ die Koaxialwelle ortsfest, wird ein auf das Gehäuse wirkendes Drehmoment bei einem Übersetzungsverhältnis von Eins auf die Ex­ zenterwelle übertragen, wobei die magnetische Kraftübertragung eine automatische Trennung zwi­ schen An- und Abtrieb ermöglicht, falls das Ge­ triebe mit einem zu hohen Drehmoment beaufschlagt ist. Selbstverständlich besteht auch die Möglich­ keit, die Exzenterwelle als Antrieb und das Gehäuse als Abtrieb einzusetzen.

Die Aufgabe der Kupplung besteht darin, den Rotor drehmomentschlüssig mit der Koaxialwelle zu verbin­ den, wobei ein paralleler Achsversatz, d. h. eine Verschiebungsmöglichkeit des Rotors in radialer Richtung notwendig ist. Als kraftübertragendes Ele­ ment sind mindestens zwei vorzugsweise zylindrische Bolzen vorgeschlagen, deren Achsen parallel zur Ko­ axialwelle verlaufen. Jeder Bolzen ist mit der Ko­ axialwelle, im speziellen mit einer zylindrischen, auf der Koaxialwelle befestigten Scheibe verbunden und greift in eine Öffnung im Rotor ein; alternativ ist er am Rotor montiert und greift in eine Öffnung in einer auf der Koaxialwelle fixierten Scheibe ein. Die Öffnung ist in beiden Fällen derart bemes­ sen, daß eine radiale Verschiebung des Rotors er­ möglicht ist; beispielsweise sind Bohrungen mit ei­ nem geeigneten Durchmesser und in radialer Richtung verlaufende oder spiralförmig gekrümmte Langlöcher verwendbar. Um den Verschleiß der Kupplung zu redu­ zieren, finden vorteilhafterweise mehrere, äquidi­ stant über den Umfang verteilte Bolzen Verwendung.

Da sich der Bolzen bei einer Rotation der Koaxial­ welle relativ zur benachbarten Öffnung bewegt, ist ein um seine Achse drehbarer Bolzen empfehlenswert. Der Bolzen läuft auf der Umrandung der Öffnung ab, wobei die Reibung aufgrund der drehbaren Lagerung stark verringert ist. Im speziellen kann der Bolzen fest mit der Koaxialwelle bzw. dem Rotor verbunden sein und einen drehbar gelagerten, koaxialen Außen­ ring aufweisen. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Bolzen drehbar mit dem Rotor oder der Koaxial­ welle zu verbinden.

Zur Realisierung einer ruhigen, schwingungsfreien Rotation ist empfohlen, die Exzenterwelle mit einer Scheibe zum Ausgleich der Unwucht des Exzenters zu versehen.

An dem nach innen weisenden Ende von Exzenter- und Koaxialwelle ist eine Lagerung im Gehäuse wegen des Rotors und der Kupplung, die die Stirnseiten der Wellen umschließen, nicht möglich. Daher bietet sich an, das nach innen weisende Ende der Wellen durch ein Wälzlager zu verbinden. Ein mit dem Ge­ häuse verbundenes Lager kann im Abstand von den Stirnseiten der Wellen an einer beliebigen Position montiert werden.

Zur Vergrößerung des übertragbaren Drehmoments ist vorgeschlagen, jedem auf der Innenwandung des Ge­ häuses angeordneten Magnetpol einen weiteren Ma­ gnetpol ungleicher Polarität zuzuordnen, die Ma­ gnetpaare in axialem Abstand zu befestigen und den Rotor derart zu dimensionieren, daß die mit ihm verbundenen Magnete in den Luftspalt zwischen den Magnetpaaren hineinragen, wobei die mit dem Rotor verbundenen Magnete in axialer Richtung magneti­ siert sind. Die ungleichpoligen Magnetpaare erzeu­ gen ein relativ starkes, in axialer Richtung ver­ laufendes Magnetfeld, das jeweils mit dem in entge­ gengesetzter Richtung verlaufenden Feld der mit dem Rotor verbundenen Magnete wechselwirkt. Die Vergrö­ ßerung des übertragbaren Drehmoments resultiert daraus, daß die Zahl der auf dem Umfang des Rotors positionierten, mit den Magnetpolen am Gehäuse wechselwirkenden Magnete entscheidend vergrößert ist.

Auch die mechanische Ausführung des Getriebes ist im Rahmen der Erfindung beliebig. Im speziellen be­ steht die Möglichkeit, es nach Art eines Scheiben­ läufers auszuführen, d. h. die axialen Abmessungen kleiner als den Durchmesser zu wählen. Alternativ ist eine Realisierung nach Art eines Zylinderläu­ fers vorgeschlagen, bei der die Höhe, d. h. die axialen Abmessungen größer oder gleich dem Durch­ messer sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnungen eine Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird. Sie zeigen in schematischer Darstellung in

Fig. 1 eine Ansicht eines zerlegten Getriebes

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Getriebe

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Getriebe.

Das in Fig. 1 dargestellte Getriebe besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einer Exzenter­ welle 1, die mit einem Exzenter 3 versehen ist, einem drehbar auf dem Exzenter 3 gelagerten Rotor 4, auf dessen Umfang Magnete 6 alternierender Polarität angeordnet sind, einem zylindrischen, zur Exzenterwelle 1 koaxialen Gehäuse 5 mit einem innenseitig angeordneten Magnetring 7 mit über den Umfang wechselnder Magnetisierung sowie einer, auf der Achse des Gehäuses 5 angeordneten Koaxi­ alwelle 2. Die relativen Abstände der einzelnen Magnete 6, 7 auf dem Rotor 4 und auf der Innen­ seite des Gehäuses 5 sind identisch.

In Fig. 2 ist erkennbar, daß die auf dem Rotor 4 angeordneten Magnetpole 6 auf den mit dem Gehäuse 5 verbundenen Magneten 7 abrollen, wobei sich jeweils Magnete ungleicher Polarität gegenüberste­ hen. Dreht sich die Exzenterwelle 1 im Uhrzeiger­ sinn, rotiert auch der jeweils dem Gehäuse nächste Punkt des Rotors 4 im Uhrzeigersinn, wobei sich der Rotor selbst - aufgrund der magnetischen Wech­ selwirkung zwischen den einzelnen Magnetpolen 6, 7 - in umgekehrter Richtung dreht. Dieses (zunächst überraschende) Verhalten ist leicht an­ hand einer Betrachtung der dem Bezugspfeil 6 be­ nachbarten Magnete 6, 7 erkennbar: Der Rotor dreht sich jeweils eine kleine Wegstrecke entgegen dem Uhrzeigersinn, bis sich die Magnete (die sich bei einer Rechtsdrehung der Exzenterwelle 1 annä­ hern) genau gegenüberstehen. Nachdem die 36 Magnete 6 des Rotors 4 jeweils einem der 40 Magnete 7 des Gehäuses 5 gegenüberstanden, stehen während einer Umdrehung der Exzenterwelle 1 vier Magnete 6 des Rotors 4 zum zweiten Mal einem Magnetpol des Gehäuses 7 gegenüber. Die vier Pole 6 ent­ sprechen einer neuntel Umdrehung. Das Übersetzungs­ verhältnis beträgt jedoch nur Neun, falls das Ge­ häuse 5 ortsfest ist.

In Fig. 3 ist die mechanische Verbindung zwischen der Koaxialwelle 2 und dem Rotor 4 dargestellt. Die Koaxialwelle 2 ist durch eine etwa zylindri­ sche Scheibe 15 mit Wälzlagern 8 verbunden, auf deren Drehachse jeweils ein zylindrischer, parallel zur Achse der Koaxialwelle 2 verlaufender Bolzen 9 angeordnet ist. Der Bolzen 9 greift in eine Öffnung im Rotor 4 ein, wobei der Durchmesser der Öffnung größer als der des Bolzens 9 ist und einen parallelen Achsversatz, d. h. eine Verschie­ bung in radialer Richtung des Rotors 4 und eine Drehmomentübertragung vom Rotor 4 auf die Koaxi­ alwelle 2 ermöglicht. In Fig. 3 ist weiterhin erkennbar, daß die Koaxialwelle 2 über Wälzlager 11 mit dem Gehäuse 5 verbunden ist, während auch die Exzenterwelle 1 durch ein Wälzlager 12 am Gehäuse 5 montiert ist. Die Stirnseiten der Koaxial- 2 und Exzenterwelle 1 sind durch ein weiteres Wälzlager 10 aneinander befestigt. Ein auf dem Exzenter 3 montiertes Wälzlager 14 er­ möglicht eine Rotation des Rotors 4 relativ zum Exzenter 3, während eine auf der Exzenterwelle 1 angeordnete Scheibe 13 dem Ausgleich der Un­ wucht des Exzenters 3 dient und mit radialen Boh­ rungen zur Auswuchtung versehen ist.

Im Ergebnis erhält man ein Getriebe mit magneti­ scher Drehmomentübertragung, das sich durch ein ho­ hes Übersetzungsverhältnis, die Fähigkeit, hohe Drehmomente zu übertragen, sowie ein geringes Bau­ volumen auszeichnet.

Claims (16)

1. Exzentergetriebe mit einer magnetischen Drehmo­ mentübertragung, mit einer Koaxial- (2) und einer Exzenterwelle (1), die fluchtend verlaufen und de­ ren Stirnseiten in einem Gehäuse (5) angeordnet und mit einem Rotor (4) verbunden sind, der drehbar auf einem mit der Exzenterwelle (1) verbundenen Exzen­ ter (3) gelagert ist, wobei sowohl an der Innen­ seite des Gehäuses (5) als auch auf dem Umfang des Rotors (4) Magnetringe angebracht sind, die aus Ma­ gneten (7) mit in Umfangsrichtung wechselnder Pola­ rität bestehen, und der Rotor (4) über eine drehmo­ mentschlüssige, einen parallelen Achsversatz erlau­ bende Kupplung mit der Koaxialwelle (2) verbunden ist, mit einem Übersetzungsverhältnis i, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erreichung eines gewünschten Übersetzungsverhältnisses i das Verhältnis der Pol­ zahl p₁ des Magnetrings des Gehäuses (5) zur Pol­ zahl p₂ des Magnetrings des Rotors (4) gleich ist.

2. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnetringe lösbar mit dem Rotor (4) bzw. Gehäuse (5) befestigt und/oder ummagnetisier­ bar sind.

3. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnete (6, 7) Permanentmagnete und/oder Elektromagnete und/oder weichmagnetischer Werkstoff mit Magnetpolen aus permanentmagnetischem Material sind.

4. Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulen der Elektromagnete einzeln an­ steuerbar sind und daß ein magnetischer Pol des Ma­ gnetrings in der Regel mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte, gleichsinnig stromdurchflos­ sene Spulen umfaßt.

5. Verfahren zum Umpolen eines Magnetrings mit Elektromagneten nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ausgehend von einem magnetischen Pol die einzelnen Pole durch Wechseln der Stromrichtung einzelner Spulen in Umfangsrichtung verlängert oder verkürzt werden und neue Pole geschaffen werden bzw. vorhandene Pole in den neuverteilten Polen aufgehen.

6. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) mit Kühl­ rippen versehen ist.

7. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile, an denen die Magnete (7) befestigt sind, aus magneti­ schem Material bestehen.

8. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) drehbar gelagert und mit einer An- oder Ab­ triebswelle verbunden ist.

9. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung mindestens zwei, mit der Koaxialwelle (2) verbun­ dene, vorzugsweise zylindrische Bolzen (9) auf­ weist, deren Achsen parallel zur Koaxialwelle (2) verlaufen, und daß jeder Bolzen (9) in eine Öff­ nung, bevorzugt in eine Bohrung oder in ein radia­ les oder gekrümmtes Langloch im Rotor (4) ein­ greift.

10. Getriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Bolzen (9) an einer zylindrischen, mit der Koaxialwelle (2) verbundenen Scheibe befestigt ist.

11. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung mindestens zwei, mit dem Rotor (4) verbundene, vor­ zugsweise zylindrische Bolzen aufweist, deren Ach­ sen parallel zur Koaxialwelle (2) verlaufen, und daß jeder Bolzen (9) in eine Öffnung, bevorzugt in eine Bohrung oder in ein radiales oder gekrümmtes Langloch in einer mit der Koaxialwelle (2) verbun­ denen Scheibe eingreift.

12. Getriebe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bolzen (9) drehbar gelagert ist.

13. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenter­ welle (1) mit einer Scheibe (13) zum Ausgleich der Unwucht des Exzenters (3) versehen ist.

14. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lager (10) zwischen den nach innen weisenden Enden der Exzenter- (1) und der Koaxialwelle (2) angeordnet ist.

15. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Magnet­ pol (7) auf der Innenwandung des Gehäuses (5) ein weiterer Magnetpol ungleicher Polarität zugeordnet ist, wobei die Magnetpolpaare in axialem Abstand angeordnet sind, und die mit dem Rotor (4) verbun­ denen Magnete in den Luftspalt zwischen den Magnet­ polpaaren auf der Innenseite des Gehäuses (5) hin­ einragen und in axialer Richtung magnetisiert sind.

16. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 15, gekennzeichnet durch einen Scheiben- oder Zylinderläufer.