DE102009056227A1

DE102009056227A1 - Magnetisches Zahnrad

Info

Publication number: DE102009056227A1
Application number: DE200910056227
Authority: DE
Inventors: Christian Zschoch
Original assignee: Individual
Current assignee: ZSCHOCH, CHRISTIAN, DE
Priority date: 2009-11-28
Filing date: 2009-11-28
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Bei bisherigen Lösungen eine magnetische Kraftübertragung bringt der Einsatz einer attraktiven, d. h. anziehenden, Anordnung von magnetisierten Zahnradzähnen den Nachteil mit sich, dass sich bei steigender Annäherung zweier derart magnetisierter Zahnräder deren Anziehungskraft erhöht, was auf die Lager der Rotationswellen solcher Zahnräder entsprechende radiale Kräfte permanent erzeugt, die dort, bedingt durch die zumeist dauerhafte Konfiguration der Wellen, einen vorzeitigen Verschleiß hervorrufen.
Das Ziel der Erfindung ist es, die radialen Kräfte auf die Achse des magnetischen Zahnrades zu reduzieren. Als weiteres Ziel der Erfindung sollen die bisherigen Vorteile einer magnetischen Kraftübertragung erreicht werden, welche eine wartungsfreie, verschleißfreie sowie eine mit geringen Verlusten arbeitende Kraftübertragung gewährleistet.
Um diese Zielgebung zu erreichen wird ein Zahnrad (1) verwendet, dass eine magnetische Polung (4) der einzelnen Zahnradzähne (3) aufweist, die für alle Zähne an der radialen Außenseite des Zahnrades identisch ist. Ein zweites Zahnrad, welches mit dem ersten Zahnrad die Kraftübertragung bewerkstelligt besitzt die gleiche magnetische Konfiguration und die selbe Polung der radial außen liegenden Zahnradzähne. Bei der Kraftübertragung nutzt das magnetische Zahnrad die abstoßende magnetische Wirkung der identisch gepolten Zahnradzähne.
Die auf Zahnrad und Zahnradwelle (2) übertragenen Kräfte steigen in dieser Konfiguration zusammen mit der Übertragungskraft an, und reduzieren bei einer geringen Kraftübertragung den Verschleiß der angeflanschten Achslager. Bei einer vorteilhaften Auslegung der Übertragungsmagnete zu der zu übertragenden Kraft kann ein vollkommen wartungs- und verschleißfreier Dauerbetrieb erreicht werden.
Durch die Anzahl der magnetischen Zahnradzähne bei kraftübertragenden und kraftaufnehmenden Zahnrad kann wie bei mechanisch arbeitenden Zahnrädern eine Über- oder Untersetzung erreicht werden. Auch kehrt sich die Drehrichtung (9) bei der Kraftübertragung um.
Das magnetische Zahnrad wird eingesetzt bei der Erstellung von Getrieben, die einer Dauerbelastung standhalten sollen, die jedoch aufgrund des Umfeldes nicht oder nur unter erheblichen Aufwand gewartet werden können.
Aufgrund der bei diesen Getrieben verwendeten Achslager ist eine radial möglichst unbelastete Achse erforderlich. Axiale Kräfte werden durch die verwendeten Achslager abgefangen und sind für das genannte Einsatzgebiet tolerierbar.

Description

Es ist bekannt, dass heute in einer Vielzahl unterschiedlicher Getriebe und Apparaturen Zahnräder zur Kraftübertragung eingesetzt werden. Diese werden hier nicht nur zum Transport von Bewegungsenergie eingesetzt, sondern auch zur Realisierung von Über- oder Untersetzungen, die die eingesetzten Kräfte erhöhen oder vermindern und dadurch gleichzeitig die vorgegebene Drehzahl reduzieren oder erhöhen.
Ferner ist bekannt, dass die Nutzung magnetischer, insbesondere die permanentmagnetische, Energie die Abnutzung und den Verschleiß eines Zahnrades verhindert, da kein mechanischer Kontakt zwischen den kraftübertragenden Teilen besteht. Das Fehlen von Reibung durch diese kontaktlose Kraftübertragung reduziert zudem den mechanischen Widerstand und Verlust (Patent DE 197 17 340 A1 ).
Hierbei bringt der Einsatz einer attraktiven, d. h. anziehenden, Anordnung von magnetisierten Zahnradzähnen den Nachteil mit sich, dass sich bei steigender Annnäherung zweier derart magnetisierter Zahnräder deren Anziehungskraft erhöht, was auf die Lager der Rotationswellen solcher Zahnräder entsprechende radiale Kräfte permanent erzeugt, die dort, bedingt durch die zumeist dauerhafte Konfiguration der Wellen, einen vorzeitigen Verschleiß hervorrufen.
Für die bestmögliche Kraftübertragung sind diese anziehenden Magnetkräfte jedoch in möglichst hoher Intensität erforderlich, da bei einem Übersteigen der zu übertragenden Kraft über diese Anziehungskraft das Zahnrad den magnetischen Fluss mit seinem gegenspielenden Zahnrad unterbricht und dadurch ein Schlupf entsteht.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die radialen Kräfte auf das Wellenlager eines magnetischen Zahnrades als auch die Möglichkeit eines Überlastungsschlupfes zu reduzieren.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die in einem vorteilhaften Abstand ineinander greifenden magnetisch abstoßenden Zahnradzähne eine geringe radiale Kraft ausüben, die erst mit der Erhöhung der Übertragungskraft ansteigt.
Ferner kann der radiale Abstand zwischen den radial abstoßenden Zahnpolen zweier magnetischer Zahnräder abhängig zur übertragenen Kraft variieren und so die verwendeten magnetischen Kräfte entsprechend dem Kraftaufwand anpassen. Der Polabstand wird falls erforderlich bis auf einen sehr geringen Abstand reduziert, wodurch eine entsprechend große Kraft übertragen werden kann.
Zusätzlich ist dieses magnetische Zahnrad verscheiß- und wartungsfrei. Bei einer Ausführung mit einer permanentmagnetischen Magnetisierung erfolgt die Kraftübertragung nur durch die Zuführung der zu übertragenden Kraft.
Wie bei einem rein mechanisch arbeitenden Zahnrad können durch die Verwendung unterschiedlicher Zahnraddurchmesser sowie einer differierenden Anzahl von Zahnradzähnen Über- oder Untersetzungen hergestellt werden, die eine entsprechende Änderung von Drehzahl und Rotationskraft vom kräfteabgebenden zum kräfteaufnehmenden Zahnrad bewirken.
Die alternative Nutzung elektromagnetisch angeregter Zahnradzähne ermöglicht die maximale Übertragungskraft zu variieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht es, auch Kräfte zu übertragen, die die magnetischen Übertragungsmöglichkeiten des eingesetzten magnetischen Zahnrades übersteigen. Dies sind insbesondere Anlauf- oder Abbremsungskräfte bei Getrieben und Kraftübertragungsapparaturen.
Durch die Ausprägung der magnetischen Zähne zu mechanisch arbeitenden Zahnradzähnen beziehungsweise durch die Einbettung von Magneten in mechanisch arbeitende Zahnradzähne, die mit einem definierten Spalt zum gegenspielenden magnetischen Zahnrad angeordnet sind, können die zu übertragenden Kräfte mechanisch aufgefangen werden, sobald die magnetische Übertragungskapazität erreicht wurde.
Der Übergang von der magnetischen zur mechanischen Kraftübertragung erfolgt auf eine besonders schonende Weise, da die magnetische Übertragungskraft zusätzlich bestehen bleibt und so die mechanischen Zahnradoberfläche um diese Kraft entlastet.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den folgenden Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
1 zeigt zwei magnetische Zahnräder nach Patentanspruch 1, die eine Kraftübertragung durch magnetische Abstoßungskräfte im Kräfteverhältnis 1:1 durchführen. Bei jedem der beiden magnetischen Zahnräder ist eine innere Radstruktur Nr. 1, die aus nicht magnetischem oder nicht magnetisierbarem Material bestehend ist, zentriert auf einer rotierbaren Welle Nr. 2 befestigt. Die Achse dieser rotierbaren Welle ist parallel zur Achse der Zahnradwelle des zweiten magnetischen Zahnrades ausgerichtet.
Nr. 3 stellt die mit der nichtmagnetischen Radstruktur fest verbundenen permanentmagnetischen Magnete dar, wobei bei dieser Ausführung jeweils die radial außen liegenden Magnetpole eine N-Polarisierung, dargestellt mit Nr. 4, haben.
Das Zusammenspiel beider magnetischen Zahnräder erfolgt durch das abwechselnde Ineinandergreifen der Zahnradmagnete Nr. 3, die sich auf Grund der magnetisch identischen Pole abstoßen, und somit den zu übertragenden Drehimpuls durch die radiale Hebelwirkung auf das zweite magnetische Zahnrad übertragen. Wie bei einem mechanischen Zahnrad erfolgt die Kräfteweitergabe dabei unter einer Umkehrung der Drehrichtung gemäß der Drehrichtungspfeile Nr. 9.
Der Abstand Nr. 5 zwischen den beiden parallelen Zahnradachsen Nr. 2 ist bei dieser vorteilhaften Konfiguration so gewählt, dass sich die radial abstoßenden Kräfte der Zahnradmagnete Nr. 3 durch die ab einer bestimmten Annäherung zunehmenden radial anziehenden Kräfte zu einem vorteilhaften Verhältnis aufheben, und so eine durch die magnetische Kraft radial minimal beeinflusste Position zueinander erreicht wird.
2a zeigt ein Ausführungsbeispiel nach Patentanspruch 2, bei dem die magnetischen Zahnradzähne Nr. 3 mit einer mechanischen Struktur Nr. 8 umfasst und mit dieser fest verbunden sind. Die Polung Nr. 4 aller Zahnradmagnete ist an der radialen Außenseite als N-Pol ausgeführt. Die Rotationsachsen Nr. 2 der beiden dargestellten magnetischen Zahnräder verlaufen parallel zueinander. Die Drehrichtung des ersten Zahnrades wird durch die Kräfteweitergabe umgekehrt und verläuft auf dem zweiten Zahnrad in entgegengesetzter Drehrichtung gemäß den Drehrichtungspfeilen Nr. 9.
Der Abstand Nr. 5 zwischen den beiden parallelen Zahnradachsen Nr. 2 ist in dieser Konfiguration so gewählt, dass in einer nicht bewegten und unbelasteten Zahnradanordnung einerseits die magnetischen Abstoßungskräfte zwischen den beiden Zahnrädern durch die bei einer bestimmten Annäherung zunehmenden anziehenden Magnetkräfte zu einem vorteilhaften Verhältnis aufheben, und andererseits zwischen den mechanisch ausgeformten Zahnradzähnen ein definierter Spalt bestehen bleibt, sodass sich die Zahnräder nicht berühren. Dieser Spalt wurde in der ausschnittsweise vergrößerten frontalen Ansicht 2b mit der Nr. 6 bezeichnet.
Die Kraftübertragung der Zahnräder erfolgt bis zu einem bestimmten Kräfteniveau durch abstoßende Magnetkräfte, wie im Patentanspruch 1 beschrieben. Dabei berühren sich die mechanischen Zahnflächen Nr. 7 nicht, weshalb in dieser Betriebsart kein Verschleiß der Zahnräder hervorgerufen wird.
Übersteigt die zu übertragende Hebelkraft die magnetische Abstoßungskraft der Zahnradzähne Nr. 3, aufgrund eines verstärkten Drehimpulses auf eines der Zahnräder, so beginnen sich die mechanischen Zahnradflächen Nr. 7 zu berühren und die bereits bestehende magnetische Übertragungskraft zu verstärken. In dieser Betriebsart wird durch die mechanische Beanspruchung ein gewisser Verschleiß verursacht, weshalb diese vorzugsweise für Anlauf- oder Abbremsungsphasen einer Apparatur verwendet werden sollte.
Nach der Rückkehr der zu übertragenden Kraft auf ein Niveau innerhalb des magnetischen Kräftebereichs der Zahnradmagnete, löst sich die mechanische Verbindung der Zahnräder automatisch und es wird die verschleißfreie magnetische Betriebsart verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19717340 A1 [0002]

Claims

Zahnrad zur Übertragung von mechanischen Kräften als Bestandteil von Getrieben oder Apparaturen, die eine zahnradgebundene Kraftübertragung beinhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne des Zahnrads eine magnetische Polung aufweisen, die für alle Zähne dieses Zahnrades identisch ist, und die auch identisch ist mit der magnetischen Polung aller weiteren in die Kräftekette eingebundenen Zahnradzähne anderer Zahnräder, und das dadurch eine Kraftübertragung mittels der radialen magnetischen Abstoßung an den ineinander greifenden Zahnradzähnen verschleissfrei und wartungsfrei durchführt, und dass verminderte radiale Auslenkungskräfte auf die Lager der Rotationsachse überträgt, wenn eine verminderte Rotationskraftübertragung ausgeführt wird. Die magnetischen Zähne dieses Zahnrades können durch permanentmagnetische Materialien oder durch Elektromagnete gebildet sein.
Zahnrad nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der magnetischen Zahnradzähne mit einer Umfassung in Form eines mechanischen Zahnradzahnes versehen ist, die bei einer nicht bewegten Zahnradanordnung kein anderes Zahnrad berührt, aber die im Falle einer Bewegung der Zahnradanordnung und einer nicht ausreichenden magnetischen Übertragungskraft, eine mechanische Kraftübertragung herstellt.
Zahnrad nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das komplette Zahnrad oder mehrere darin enthaltene Zähne gleichzeitig aus einem Werkstück bestehen, das radial so magnetisiert wurde, dass zur Zahnrad-Drehachse hin ein magnetischer Pol und zur gezahnten radialen Außenseite der entsprechende Gegenpol gegeben ist, und bei dem die erforderlichen Zahnkämme aus diesem Werkstück herausgearbeitet oder herausgebildet wurden. Das Zahnrad kann dadurch auch von einem Werkstück oder größeren Teilstücken, als den einzelnen Zahnradzähnen gebildet werden, ohne dass für jeden Zahnrad-Zahn ein eigener Magnet verwendet wird.
Zahnrad nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der magnetischen Zahnradzähne bei der Kraftübertragung zwischen zwei magnetischen Zahnrädern unterschiedlich ist und so eine Über- oder Untersetzung vom kraftübertragenden zum kraftaufnehmenden Zahnrad erreicht wird.