DE102009010056A1

DE102009010056A1 - Converter has two components and iron-free magnetic circuit in linear or rotary form for generating tangential forces, where partner interacting through power exchange stands opposite to air gap

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Publication number: DE102009010056A1
Application number: DE200910010056
Authority: DE
Inventors: Herbert Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-21
Filing date: 2009-02-21
Publication date: 2010-09-02

Abstract

The converter has two components and an iron-free magnetic circuit in a linear or rotary form for generating tangential forces. A partner interacting through power exchange stands opposite to an air gap, where power exchange takes place through magnetic field interaction. An exciter component (ET) consists of a sequence of differently polarized magnets (Mr), whose impressed excitation currents are predominantly oriented perpendicular to the movement direction.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Entwicklung energiestarker Permanentmagnete bei gleichzeitig anwendungsfreundlichen Preisen ermöglicht eine Ausweitung des Einsatzspektrums von eisenarmen und eisenlosen Magnetkreisen. In der Vergangenheit lag es nahe, Permanentmagnetmaterial in Verbindung mit Eisen, jenem Material, das durch seine hohe magnetische Leitfähigkeit die Bahn des magnetischen Feldes prägt, einzusetzen. Die Permanentmagnete selbst stellten die Quelle des Feldes dar und bestimmten nur zum Teil die Geometrie der Feldausbreitung. Nicht nur aus wirtschaftlicher Sicht, sondern auch bezüglich der Wechselwirkungs-Effizienz werden mit diesem Konzept akzeptable Zieldaten erreicht.The Development of high-energy permanent magnets with user-friendly prices allows an expansion of the range of use of low-iron and iron-free Magnetic circuits. In the past, it was obvious permanent magnet material in connection with iron, that material by its high magnetic conductivity the path of the magnetic field imposes to insert. The permanent magnets themselves represented the source of the field and only intended for Part of the geometry of the field propagation. Not just for economic reasons View, but also regarding Interaction efficiency becomes acceptable with this concept Target data reached.

Als elektromagnetischer Wandler, bestückt mit einer stromdurchflossenen Wicklung als Wechselwirkungspartner des Magnetkreises, werden Kraftdichten im Bereich von 50–100 kN/m² bei begrenzten Wicklungsverlusten erzielbar, wenn der Magnetkreis mit dem Merkmal der Flusskonzentration gestaltet wird. Als Magnetmaterial dient hierbei das in guter Gleichmäßigkeit von mehreren Herstellern angebotene NdFe mit einer Remanenzinduktion von 1,2–1,4 T. Dabei gilt für mehrere Magnetsorten, dass die untere Grenze des reversiblen Bereichs sogar in die Zone negativer Felddichte-Werte hineinreicht.As an electromagnetic transducer equipped with a current-carrying winding as an interaction partner of the magnetic circuit, force densities in the range of 50-100 kN / m ² at limited winding losses can be achieved when the magnetic circuit is designed with the feature of the flux concentration. The magnetic material used here is the NdFe, which is available in good uniformity from several manufacturers and has a remanence induction of 1.2-1.4 T. For several types of magnet, the lower limit of the reversible range even extends into the zone of negative field density values.

Da die Anwendung für Energiewandler auf das Hindernis der Sättigung stößt, ergibt sich eine Begrenzung der Kraftdichte. Notwendige Erhöhungen der Felddichte im Wechselwirkungsraum werden dabei durch die Unterbringung der Wicklungsquerschnitte im Zusammenhang mit der Begrenzung der Verluste behindert. Die zur Leitung des Flusses erforderliche Eisenmasse stellt ein weiteres Hindernis dar. Hier kommt erschwerend hinzu, dass durch die starke Nichtlinearität der Eisenleitfähigkeit für die Flussdichte eine absolute obere Schranke wirksam ist.There the application for Energy converter encounters the obstacle of saturation, there is a limit the power density. Necessary increases The field density in the interaction space is thereby determined by the accommodation the winding cross-sections in connection with the limitation of losses with special needs. The iron mass required to conduct the river is another obstacle. This is an aggravating factor that due to the strong nonlinearity of iron conductivity for the Flux density an absolute upper bound is effective.

Der Wegfall des Eisens bringt somit den Vorteil einer verbesserten Raumverfügung für die Magneten, aber auch für die Anordnung der Spulen; er mindert zugleich die Maximalwertbeschneidung durch den Sättigungseffekt.Of the Removal of iron thus brings the advantage of an improved space order for the magnets, but also for the arrangement of the coils; At the same time it reduces the maximum value circumcision the saturation effect.

Da die Möglichkeiten einer Feldverdichtung durch konfiguratorische Maßnahmen beim eisenlosen Magnetkreis sehr gering sind, darf nicht erwartet werden, dass zur Konditionierung der Kraftdichte ähnlich günstige Verhältnisse bestehen, wie beim eisenbehafteten Kreis.There the possibilities a field compression by configurational measures in the ironless magnetic circuit are very low, can not be expected to be conditioned the power density similar favorable conditions exist, as in the iron-tinged circle.

Immerhin ist davon auszugehen, dass bei zweiseitig eingesetzten Permanentmagneten sich sehr große Tangentialkräfte erzeugen lassen, da die Kraftwirkungen B_r ² proportional sind. Es kommt hinzu, dass Wechselwirkungen zwischen Permanentmagneten sich im Nahbereich ihrer eingeprägten Randströme abspielen können, so dass eine hohe Felddichte die Kraft erzeugt. Für Aktuatoren der verschiedensten Arten liegen hiermit günstige Dimensionierungs-Voraussetzungen vor. Etwas größere Probleme für die Erzeugung höchster Kraftdichten entstehen im Falle der stromführenden Wicklung bei elektromagnetischen Wandlern. Infolge der Begrenzung der Stromdichte zur Rücksichtnahme auf die Wärmeabgabe sind größere Querschnitte erforderlich, die eine Senkung der mittleren Felddichte bedeuten, was wiederum die Kraftdichte beeinflusst.After all, it can be assumed that in the case of permanent magnets used on two sides, very large tangential forces can be generated, since the force effects B _r ^{2 are} proportional. In addition, interactions between permanent magnets can take place in the vicinity of their impressed edge currents, so that a high field density generates the force. For actuators of various types are hereby favorable dimensioning requirements. Somewhat larger problems for the generation of highest power densities arise in the case of current-carrying winding in electromagnetic transducers. Due to the limitation of current density to account for heat dissipation, larger cross sections are required, which mean a reduction in the average field density, which in turn affects the power density.

Durch die Anwendung des eisenlosen Magnetkreises sollte es jedoch möglich sein, deutlich höhere Extremwerte der tangentialen Kraftdichte für die Anwendung zu erschließen, als dies im Falle eisenbehafteter Kreise mit Sättigungsmerkmalen möglich ist. Zahlreiche Anwendungen aus dem Motor- und Generatorbetrieb der Wandler benötigen hohe Überlastfähigkeit, die im allgemeinen durch eine konventionelle Bauform des Magnetkreises nicht verwirklicht werden kann und zu einer Absenkung der Nominalnutzung führt.By However, the use of the ironless magnetic circuit should be possible significantly higher To tap extreme values of the tangential force density for the application, as this is possible in the case of iron-rich circles with saturation characteristics. Numerous applications from the motor and generator operation of the converter need high overload capacity, in general by a conventional design of the magnetic circuit can not be realized and to a reduction in the nominal use leads.

Es besteht somit folgende Aufgabe:
Für die durch Permanentmagneten erregten eisenlosen Magnetkreise sollen zur Wechselwirkung mit Permanentmagneten und stromführenden Wicklungen die Konzepte mit besonders hoher tangentialer Kraftdichte beschrieben werden. Hierbei ist an Anwendungen für Aktuatoren und getriebeähnliche Momentenwandler zu denken und auch die Möglichkeit einer Umsetzung im Wandler mit stromführenden Wicklungen in Betracht zu ziehen. Es sind dabei linear wirkende und rotierende Anordnungen zu Grunde gelegt. Im Falle der Wandler mit stromführender Wicklung interessiert die Erschließung der hohen Kraftdichte insbesondere für kurzzeitige Belastungsfälle.There is thus the following task:
For the magnetised by permanent magnets ironless magnetic circuits for interaction with permanent magnets and current-carrying windings, the concepts are described with a particularly high tangential force density. This is to think of applications for actuators and gear-like torque converter and to consider the possibility of implementation in the converter with current-carrying windings into consideration. It is based on linear acting and rotating arrangements. In the case of transducers with current-carrying winding, the development of high power density is of particular interest for short-term load cases.

Beschreibungdescription

Die Erzielung einer hohen Tangentialkraftdichte für Aktuatoren und elektromagnetische Wandler basiert auf der Optimierung der Wechselwirkungspartner mit Blick auf Felddichte und Schubbildung. Neben der Realisierung dieses Ziels geht es um weitere Merkmale wie die Beschränkung der hierbei einzusetzenden Magnetmasse, die Begrenzung der bewegten Masse, z. B. im Falle eines Aktuators, aber auch die Begrenzung der Verluste, die im Falle des elektromagnetischen Wandlers auftreten.The Achieving a high tangential force density for actuators and electromagnetic Converter is based on the optimization of interaction partners with Look at field density and shear formation. In addition to the realization of this The goal is to further features such as the limitation of the case to be used Magnetic mass, the limit of the moving mass, z. B. in the case of Actuator, but also limiting the losses in the case of the electromagnetic Transducer occur.

Zur Erläuterung der grundsätzlichen Aufgabenstellung und des zur Verfügung stehenden Spielraums für die Optimierung dienen die zeichnerischen Darstellungen von 1 bis 3.To explain the basic task and the available scope for optimization, the drawings of 1 to 3 ,

Hierbei wird von einem das magnetische Feld erzeugenden Erregerteil ET und einem mit diesem wechselwirkenden Reaktionsteil RT in einfacher Form ausgegangen.in this connection is generated by a magnetic field generating exciter ET and a interacting with this reaction part RT in a simple form went out.

So zeigt 1a ein aus mehreren Flachmagneten M wechselnder Polarität bestehendes Erregerteil ET, wobei deren Flussaustrittsflächen „flach” an den Bewegungsraum der Reaktionsteil-Magneten von Mr, grenzen, und nur ein kleiner Luftspalt δ eingehalten wird. Die Polteilung des Magnetfeldes τ entspricht der Magnetbreite h_m. Die für die Tangentialkraft relevante Feldkomponente ist die y-Komponente, die in der gezeichneten Stellung von Mr ihren Maximalwert hat. Für große Magnethöhen h_m > τ erreicht der Feldmaximalwert an der Magnetoberfläche annähernd den Grenzwert der Remanenzinduktion B_r.So shows 1a an exciter part ET consisting of a plurality of flat magnets M of alternating polarity, wherein their flux exit surfaces "flat" to the range of motion of the reaction part magnets of Mr, border, and only a small air gap δ is maintained. The pole pitch of the magnetic field τ corresponds to the magnet width h _m . The relevant for the tangential force field component is the y-component, which has its maximum value in the drawn position of Mr. For large magnet heights h _m > τ, the field maximum value at the magnet surface approximately reaches the limit value of the remanence induction B _r .

Mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche nimmt die Felddichte exponentiell ab. In x-Richtung verläuft die y-Komponente nach einer angenäherten Rechteckform bzw. nach einer cos-Form, wobei erstere nahe der Oberfläche und letztere in größerer Entfernung vom Rand auftritt. Für kleinere Magnethöhen h_m < τ verringern sich die Felddichten.As the distance from the surface increases, the field density decreases exponentially. In the x-direction, the y-component follows an approximate rectangular shape or a cos-shape, the former occurring near the surface and the latter at a greater distance from the edge. For smaller magnet heights h _m <τ, the field densities are reduced.

Die auf einen elektrischen Strom im magnetischen Feld bekannter Dichte je Längeneinheit wirkende Kraft berechnet sich als Produkt von Felddichte und Strom. Mit den Annahmen einer großen Magnethöhe und eines verschwindend kleinen Spalts, δ = 0 und mit der Annahme, dass die Magnete M und Mr dieselbe Remanenzinduktion B_r = 1,4 T aufweisen, berechnet sich die längenbezogene Kraft zu F_xl = 1,56·10³ h_mrkN/m.The force acting on an electric current in the magnetic field of known density per unit length is calculated as the product of field density and current. With the assumptions of a large magnet height and a negligibly small gap, δ = 0, and assuming that the magnets M and Mr have the same remanence induction B _r = 1.4 T, the length-related force is calculated to F _xl = 1.56 · 10 ³ h _mr kN / m.

Bezieht man diese Kraft auf die Objektlänge h_mr, so entsteht daraus die Kraftdichte FA = 1,56·10³ kN/m². Zur Orientierung sei angeführt, dass gängige Kraftdichten bei elektrischen Maschinen im Bereich von 20–50 kN/m² liegen, also etwa um den Faktor 50 niedriger sind.If one relates this force to the object length h _mr , this results in the force density FA = 1.56 · 10 ³ kN / m ² . For orientation, it should be noted that common power densities in electrical machines are in the range of 20-50 kN / m ² , that is, about 50 times lower.

Im obigen Beispiel handelt es sich, wie erwähnt, um eine Grenzwertabschätzung mit idealisierten Annahmen. Das Modell einer elektrischen Maschine entspricht eher der Anordnung nach 1b, bei der nicht wie bei 1a der Magnet-Randbereich von Mr der Träger eines verlustlosen Stromes Θ_mr ist, sondern eine in x- und y-Richtung ausgedehnte Fläche, ein Kupferquerschnitt Sp, der einen verlustbehafteten Strom Θ_l trägt. Die auf die Längeneinheit der stromführenden Spule wirkende Kraft F_xl wird offensichtlich unterhalb des obigen Grenzwertes liegen, wenn die Bedingungen des Langzeitbetriebes zu Grunde gelegt sind. In diesem Fall fordern bereits Stromdichten von etwa 10 A/mm² eine effektive Wärmeabfuhr, um die den Isolationsverhältnissen entsprechenden Grenztemperaturen einhalten zu können. Zu berücksichtigen ist auch, dass die Ausdehnung des Querschnitts in y-Richtung zu einer Absenkung der dem Querschnitt angebotenen mittleren Felddichte führt. Der Vergleich von 1a mit 1b soll auch darauf hinweisen, dass bei einer Verschiebung des Magneten Mr um ±0,5 τ jeweils ein Punkt erreicht ist, an dem die Kraft F_xl den Wert 0 erreicht und sich bei weiterer Verschiebung etwa nach einer cosax-Funktion verhält, so dass negative Halbwellen sich anschließen.As mentioned above, the example above is a limit estimation with idealized assumptions. The model of an electric machine corresponds more to the arrangement 1b when not like at 1a the magnetic edge region of Mr is the carrier of a lossless current Θ _mr , but an area extended in the x and y directions, a copper cross section Sp carrying a lossy current Θ ₁ . The force F _xl acting on the unit length of the current-carrying coil will obviously be below the above limit when the conditions of long-term operation are used. In this case, already require current densities of about 10 A / mm ² effective heat dissipation in order to comply with the isolation conditions corresponding limit temperatures can. It should also be considered that the expansion of the cross section in the y direction leads to a reduction in the average field density offered to the cross section. The comparison of 1a With 1b should also point out that with a displacement of the magnet Mr by ± 0.5 τ each point is reached at which the force F _{xl reaches} the value 0 and behaves on further shift about a cosax function, so that negative Halfwaves join.

Im Falle von 1b soll der Spulenquerschnitt von Sp als Teil einer einsträngigen Wicklung aufgefasst werden, die bei einer entsprechenden Verschiebung an den Durchgangspunkten x = ±τ/2 eine Änderung der Stromrichtung erfährt und so positive, sinusförmige Kraftkuppen zu erzeugen vermag.In case of 1b the coil cross-section of Sp should be considered as part of a single-stranded winding, which undergoes a change in the current direction with a corresponding displacement at the passage points x = ± τ / 2 and so can produce positive, sinusoidal power crests.

In den beiden Bildern 1a und 1b sind die auf die Reaktionsteile wirkenden Kräfte durch Bezugslinien zwischen den wechselwirkenden Strömen in ET und RT dargestellt. Die Pfeile zeigen aus der Sicht von RT die Richtung der wirkenden Kraft und damit jeweils eine drückende oder ziehende Komponente. Im Falle der Spule Sp ergibt sich, dass infolge der y-Verlagerung des Schwerpunktes des Stromes wohl eine verminderte Kraftausbeute entsteht. Dies ist gleichwertig mit der oben gemachten Aussage, dass sich die verwertbare y-Komponente der Erregerfelddichte mit zunehmendem Abstand y schwächt.In the two pictures 1a and 1b For example, the forces acting on the reaction parts are represented by reference lines between the interacting currents in ET and RT. The arrows show from the view of RT the direction of the acting force and thus each a pushing or pulling component. In the case of the coil Sp, it follows that as a result of the y-displacement of the center of gravity of the current, a reduced yield of force probably arises. This is equivalent to the statement made above that the usable y component of the exciting field density weakens with increasing distance y.

Während in 1a die Achsen der Erregermagnete quer zur Bewegung und quer zur Achse von Mr stehen, wird in 2a eine rein parallelpolare Anordnung der Magnete M und Mr dargestellt. Hier gilt, dass die Polteilung τ = h_m und h_m = h_mr ist. Der Magnet Mr ist wiederum in der Position der größten Tangentialkraft gezeichnet. Die wechselwirkenden Randströme der Magneten sind bezüglich der Kraftrichtung in günstiger Winkellage und werden fast optimal wirksam. Im Vergleich zur Flachmagnetanordnung ist der verfügbare Erregerstrom jedoch geringer; er ist bei gleichem h_m nur halb so groß wie in 1a. Die am Magnetrand von M_r entstehende Felddichte ist mit zu B_r/2, anstelle von B_r, anzusetzen. Positiv ist zu vermerken, dass gegenüber 1a die Felddichte am Ort der Wechselwirkung durch Abklingen nur sehr wenig geschwächt ist. Besonders im Falle der Spulenanwendung nach 2b ist dies von Bedeutung.While in 1a the axes of the exciter magnets are transverse to the movement and transverse to the axis of Mr 2a a purely parallel polar arrangement of the magnets M and Mr shown. Here it holds that the pole pitch is τ = h _m and h _m = h _mr . The magnet Mr is again drawn in the position of greatest tangential force. The interacting edge currents of the magnets are in favorable angular position with respect to the direction of force and are almost optimally effective. Compared to the flat magnet arrangement, however, the available excitation current is lower; it is for the same h _m only half as large as in 1a , The field density arising at the magnetic border of M _{r must} be set to B _r / 2 instead of B _r . Positive to note that opposite 1a the field density at the site of the interaction is only weakly weakened by decay. Especially in case of coil application after 2 B this is important.

3 zeigt eine Art Kombination der beiden vorherigen Anordnungen. Die parallelpolaren Magnete M1 sind in halber Breite gegenüber der Anordnung nach 2a gezeichnet und in den Zwischenräumen werden Flachmagnete M2 eingesetzt, die im mittleren Bereich die y-Komponente der Feldstärke vergrößern. Es ist ersichtlich, dass gegenüber 2a das Erregerteil ET mit deutlich weniger Magnetmasse auskommt und die schubbildende Wirkung der Magnetströme als günstig zu beurteilen ist. Mit dieser Anordnung werden annähernd gleich große Kraftdichten erzielt wie mit den Magneten nach 2a. 3 shows a kind of combination of the two previous arrangements. The parallel polar magnets M1 are in half the width relative to the arrangement according to 2a drawn and in the spaces flat magnets M2 are used, which increase the y-component of the field strength in the central region. It can be seen that opposite 2a the exciter part ET manages with significantly less magnetic mass and the thrust-forming effect the magnetic currents is to be considered favorable. With this arrangement, approximately the same force densities are achieved as with the magnets 2a ,

Allen Anordnungen ist gemeinsam, dass im Bereich des wechselwirkenden Reaktionsteils eine hohe Kraftwirkung zustande kommt, weil seine Ausdehnung über eine volle Polteilung genutzt wird, und sein Strom unter Berücksichtigung eines kleinen Luftspaltes, soweit wie möglich, nahe an der Magnetoberfläche positioniert ist.all Arrangements are common that in the field of interactive Reaction parts a high power effect comes about because his Expansion over a full pole pitch is used, and its current is taken into account a small air gap, as far as possible, positioned close to the magnetic surface is.

Als Anwendungsbeispiel für einen Aktuator zur Erzeugung von Tangentialkräften auf begrenzter Länge zeigt 4 den Einsatz von Flachmagneten M1, M2 im Erregerteil ET. Sie stehen in Wechselwirkung mit einem Magnet Mr des Reaktionsteils RT, der über eine Führstange V mit dem Arbeitsgerät in Verbindung steht. Die Erregermagnete M1 sind in den Konstruktionsteilen K1 und K1' befestigt, wobei K1' die Führung von RT unterstützt. Die Magnetteile M2 sind mit dem Konstruktionsteil K2 von Etv in Längsrichtung verschieblich und ermöglichen, wie durch Position A gezeigt, eine Verstärkung der Felddichten von M1, während durch Position B des Bauteils Etv eine Schwächung der von den Magneten M1 erzeugten Felddichte bewirkt wird. Zwischen den beiden Extrempositionen führen Zwischenstufen auch zu Zwischenwerten der Felddichte. Es besteht so die Möglichkeit, z. B. Federkennlinien unterschiedlicher Steifigkeit durch Verschiebung von Etv einzustellen. Je nach Arbeitsgerät lassen sich auch Kennlinien mit unterschiedlichen Vorzeichen der Steigung zum Einsatz bringen. Aufgrund der sehr hohen Kraftdichten gelingt es, sehr kompakte Anordnungen in verlustarmer Funktion darzustellen.As an application example of an actuator for generating tangential forces on a limited length shows 4 the use of flat magnets M1, M2 in the excitation part ET. They interact with a magnet Mr of the reaction part RT, which is connected via a guide rod V to the working device. The exciter magnets M1 are mounted in the structural members K1 and K1 ', with K1' supporting the guidance of RT. The magnet parts M2 are longitudinally displaceable with the structural part K2 of Etv and allow, as shown by position A, an enhancement of the field densities of M1, while a weakening of the field density generated by the magnets M1 is effected by position B of the part Etv. Intermediate stages also lead to intermediate values of the field density between the two extreme positions. It is thus possible, for. B. Adjust spring characteristics of different stiffness by shifting of Etv. Depending on the implement, characteristics with different signs of the slope can also be used. Due to the very high power densities it is possible to represent very compact arrangements in low-loss function.

4a zeigt schematisch die Seitenansicht zu 4 mit Magneten in Rechteckform. Neben dieser offensichtlich besonders einfachen Form besteht die Möglichkeit, die Magnetkontur in Kreisform auszubilden oder auch eine poligonale Berandung zu verwirklichen. 4a schematically shows the side view 4 with magnets in rectangular shape. In addition to this obviously particularly simple form, it is possible to form the magnetic contour in a circular shape or to realize a polygonal boundary.

Mit der in 5 gezeichneten Magnetkreisanordnung verbindet sich die Anwendung eines magnetischen Wandlers, der Längskräfte in Drehmomente umsetzt und dabei, wie meist angestrebt, Geschwindigkeitsunterschiede verwirklicht. Das zylindrisch ausgeführte Reaktionsteil RT bringt an seiner Oberfläche eine alternierende Folge von Randströmen zur Wechselwirkung mit dem vom Erregerteil ET erzeugten magnetischen Wechselfeld, so dass in beiden Teilen Tangentialkräfte entstehen. Hier ist als Beispiel die Magnetkonfiguration von 2a, also die rein parallelpolare Anordnung zugrunde gelegt. Die Magnete M des Erregerteils besitzen in Längsrichtung die gleiche Abmessung h_m, wie die Magnete Mr des Magnetzylinders RT und bestimmen die Polteilung τ. Ein Leistungsaustausch zwischen ET und RT erfordert die Schrägstellung der Magnete gegen die Längsachse. Für das Reaktionsteil RT führt dies zu einer schraubenförmigen Verlegung der ursprünglich zylindrischen Magnetoberflächen. Hierbei ist in 5 rechts, mit RTa, die zweigängige Schraube von Mr und links, mit RTb, die viergängige Mr-Schraube gezeichnet. Rechts entspricht eine Längsverschiebung von 2τ einer vollen Drehung um 360°, während links der vollen Drehung eine Verschiebung von 4τ gerecht wird.With the in 5 drawn magnetic circuit assembly combines the application of a magnetic transducer, which converts longitudinal forces into torques and thereby, as usually sought, realizes speed differences. The cylindrically executed reaction part RT brings on its surface an alternating sequence of edge currents for interaction with the magnetic alternating field generated by the excitation part ET, so that tangential forces arise in both parts. Here is an example of the magnet configuration of 2a , So the purely parallel polar arrangement based. The magnets M of the exciter part have the same dimension h _m in the longitudinal direction as the magnets Mr of the magnetic cylinder RT and determine the pole pitch τ. An exchange of power between ET and RT requires the inclination of the magnets against the longitudinal axis. For the reaction part RT, this leads to a helical laying of the originally cylindrical magnetic surfaces. Here is in 5 right, with RTa, the double-threaded screw from Mr and left, with RTb, the four-barreled Mr screw drawn. On the right, a longitudinal displacement of 2τ corresponds to a full 360 ° turn, while to the left of the full rotation, a displacement of 4τ is sufficient.

Die hierdurch bestimmte Gangzahl steht in direktem Zusammenhang mit dem Interaktionswinkel α zwischen Erreger- und Reaktionsteil.The This specific number of gears is directly related to the interaction angle α between Excitement and reaction part.

In 5a wird angedeutet, dass dieser Steigungswinkel der Schraube mit dem Schrägungswinkel der Magnete M des Erregerteils identisch ist, so dass in der Wechselwirkungszone eine Magnetkraft F_M entsteht, die auf der Schrägungslinie senkrecht steht. In axialer Richtung wirkt damit der größere Teil dieser Kraft F_x, die in 5 in der Zeichenebene liegt. Senkrecht hierzu, und damit in Umfangsrichtung der Schnecke, liegt die Komponente F_u, wie auch in 5b, also in der anderen Ansicht angedeutet ist. Die Umfangskraft F_u bildet mit dem Radius r der Schnecke das Drehmoment M_d' als rotatorisches Abbild der Schubkraft F_x des Erregerteils.In 5a it is indicated that this helix angle of the screw is identical to the helix angle of the magnets M of the exciter part, so that in the interaction zone a magnetic force F _M arises which is perpendicular to the helix line. In the axial direction thus affects the greater part of this force F _x , which in 5 lies in the drawing plane. Perpendicular thereto, and thus in the circumferential direction of the screw, the component F _u , as well as in 5b , that is indicated in the other view. The circumferential force F _u forms, with the radius r of the worm, the torque M _{d '} as a rotational image of the thrust force F _{x of} the exciter part.

Aus der Forderung gleicher Leistung an ET und RT folgt der Zusammenhang der Umfangsgeschwindigkeiten. Hier findet man die Beziehung v_x/r·Ω = tgα. Kleine Steigungswinkel α bedingen einen großen Geschwindigkeitssunterschied zwischen Schnecke und Erregerteil.From the requirement of equal power at ET and RT follows the context of the peripheral speeds. Here we find the relationship v _x / r · Ω = tgα. Small pitch angles α cause a large difference in speed between the worm and the exciter part.

Die erwähnten rechnerischen Zusammenhänge sind in Tafel 1 zusammengestellt. Sie entsprechen den aus der Mechanik bekannten Beziehungen an der mechanischen Schnecke mit dem besonderen Unterschied, dass der Einfluss der Reibung entfällt. Damit entfällt auch die durch die Reibung verursache Betriebshemmung. Die magnetische Schnecke kann somit auch bei sehr kleinem Winkel α in beiden Richtungen betrieben werden. Folglich sind auch sehr große Geschwindigkeitsunterschiede verwirklichbar. Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass im vorliegenden Fall sich glatte Oberflächen als Wechselwirkungspartner gegenüberstehen und eine Verzahnung, wie im Falle der mechanischen Schnecke, entfällt. Die Formgebung für beide Wechselwirkungspartner ist somit viel freizügiger und kann zur Erzielung einer großen Wechselwirkungszone entsprechend gestaltet werden.The mentioned computational relationships are compiled in Table 1. They correspond to those from mechanics known relationships on the mechanical screw with the particular difference that the influence of friction is eliminated. This also eliminates the friction caused by the operation. The magnetic Snail can thus α even in a very small angle in both Directions are operated. Consequently, there are also very large speed differences realizable. About that It should also be mentioned that in the present case, smooth surfaces act as interaction partners face and a toothing, as in the case of the mechanical screw, is eliminated. The Shaping for both interaction partners is thus much more permissive and can achieve a great Interaction zone are designed accordingly.

6 zeigt als Beispiel die Anwendung der Schnecke in Wechselwirkung mit einem Rad als Erregerteil ET, dessen Magnete M radial angeordnet sind. Die Oberflächenform des Reaktionsteils RT und damit die räumliche Anordnung der Magnete Mr folgt aus der Anpassung an die Zylinderform von ET und bedingt einen veränderlichen Steigungswinkel in axialer Richtung. Es liegt nahe, die Schnecke z. B. direkt mit einer elektrischen Maschine EM zu koppeln, die somit von der Schneckenwelle We betrieben wird und, wie die Schnecke, mit dem Konstruktionsteil Ks über Lager La befestigt wird. Von der elektrischen Maschine EM wird das Drehmoment M und die Winkelgeschwindigkeit Ω entweder zur Verfügung gestellt oder im Generatorbetrieb aufgenommen. 6 shows as an example the application of the screw in interaction with a wheel as excitation part ET, whose magnets M are arranged radially. The surface shape of the reaction part RT and Thus, the spatial arrangement of the magnets Mr follows from the adaptation to the cylindrical shape of ET and requires a variable pitch angle in the axial direction. It is obvious, the snail z. B. to couple directly with an electric machine EM, which is thus operated by the worm shaft We and, as the worm, is attached to the structural part Ks via bearings La. From the electric machine EM, the torque M and the angular velocity Ω is either made available or received in generator mode.

Da, wie erwähnt, mit magnetischen Getrieben dieser Art hohe Kraftdichten erreicht werden, entstehen bauliche Vorteile im Vergleich zum Einsatz langsam laufender elektrischer Maschinen. Letztere sind mit verhältnismäßig großem Luftspalt und damit mit aufwendigen Magnetkreisen ausgestattet und weisen verhältnismäßig niedrige Wirkungsgrade auf. Um hohe Kraftdichten auch bei verhältnismäßig großem Luftspalt zu sichern, besteht die Möglichkeit, dass das Abklingen der magnetischen Felddichte begrenzt wird. Der für die Magnetkraft F_M in Tafel 1 beschriebene Zusammenhang weist mit dem Abklingfaktor e^–aδ auf die Reduktion der Felddichte außerhalb der Magnetoberfläche von ET hin. Durch einen kleinen Wert von a = π/τ, also durch einen großen Wert von h_m = τ, kann dieser Faktor nahe an den Wert 1,0 gestellt werden.Since, as mentioned, high power densities are achieved with magnetic gears of this type, constructional advantages arise compared to the use of slow-speed electrical machines. The latter are equipped with a relatively large air gap and thus with expensive magnetic circuits and have relatively low efficiencies. To ensure high force densities even with a relatively large air gap, there is the possibility that the decay of the magnetic field density is limited. The relationship described for the magnetic force F _M in Table 1 points to the reduction of the field density outside the magnetic surface of ET with the decay factor e ^-aδ . By a small value of a = π / τ, ie by a large value of h _m = τ, this factor can be set close to the value 1.0.

Es ist weiter zu erwähnen, dass der Zusammenhang zwischen Kraft und Wechselwirkungsposition bei einem magnetischen Schneckenantrieb als stabil zu bezeichnen ist. In 1 bis 3 wurden Positionen der Wechselwirkungspartner gezeichnet, die dem übertragbaren Kraft-Maximalwert zugeordnet sind. Sollen z. B. bei einer Getriebeanordnung geringere Kräfte übertragen werden, so stellt sich die Wechselwirkung auf die Position der reduzierten Kraft selbsttätig ein. Bei Überschreitung des Kraftmaximalwertes tritt jedoch eine Unterbrechung dieses stabilen Kraft-Weg-Verhältnisses ein.It should also be mentioned that the relationship between force and interaction position in a magnetic worm drive is to be described as stable. In 1 to 3 positions of the interaction partners were plotted, which are assigned to the transferable force maximum value. Should z. B. lower forces are transmitted in a transmission arrangement, so the interaction is automatically on the position of the reduced force. When exceeding the maximum force value, however, an interruption of this stable force-displacement ratio occurs.

Claims

Made of at least two parts existing converter with ironless magnetic circuit in linear or rotary form for Generation of tangential forces, where the interacting with each other through power exchange partners an air gap opposite stand, the force exchange takes place by magnetic field interaction, and thereby an exciter part of a sequence of different polarized Magnets consists whose embossed Exciter currents predominantly oriented perpendicular to the direction of movement, and the reaction partner also has parallel currents in the region of interaction and non-magnetic parts having a permeability used as the construction material are, which differs only slightly from that of the magnetic material.

Converter with ironless magnetic circuit according to the above claim, characterized in that to achieve high power densities of current carrying Area of the reaction part directly adjacent to the air gap and the Width of the current-carrying Approximate units corresponds to the pole pitch.

Converter with ironless magnetic circuit according to one of the above claims, characterized in that to increase the power density a two-way exciter arrangement is used, which has a second air gap a symmetrical action on the streams of the reaction part allowed.

Converter with ironless magnetic circuit according to one of the above claims, characterized in that the excitation parts from a sequence of consist of parallel polar magnets.

Converter with ironless magnetic circuit according to one of the above claims, characterized in that the excitation part of a sequence of consists of parallel polar and flat polar magnets.

Converter with ironless magnetic circuit according to one of the above claims, characterized in that a plurality of single-stranded winding parts in the course the total length the winding are arranged with a mutual offset and the Offset corresponding to phase-shifted currents lead.

Converter with ironless magnetic circuit according to one of the above claims, characterized in that for Short-time operation The current density of the winding to maximum values increases, which are made possible by the magnetic material-related limit.