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Die Erfindung betrifft ein magnetisches Getriebe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein magnetisches Getriebe weist drei koaxiale und relativ zueinander drehbare Getriebeelemente auf, von denen eines als Antrieb und eines als Abtrieb verwendet und eines drehfest gehalten wird und als Stator aufgefasst werden kann. Wesentlich ist die Drehbarkeit der drei Getriebeelemente zueinander, nicht unbedingt das drehfeste Halten eines der drei Getriebeelemente. Vorzugsweise sind die drei Getriebeelemente ineinander angeordnet, wobei ein inneres Getriebeelement eine Hohl- oder Vollwelle bildet, die von den beiden anderen Getriebeelementen, welche rohrförmig ausgebildet sind, umschlossen wird. Die rohrförmigen Getriebeelemente können als Hohlwellen aufgefasst werden, ein äußeres Getriebeelement auch als Gehäuse. Möglich ist allerdings auch eine Anordnung der drei Getriebeelemente axial nebeneinander, so dass ihre Stirnflächen einander zugewandt sind, oder eine Mischform.
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Zwei der drei Getriebeelemente weisen Magnetpolpaare und eines Magnetflusselemente auf, die einen magnetischen Fluss zwischen den Magnetpolpaaren der beiden anderen Getriebeelemente leiten. Das die Magnetflusselemente aufweisende Getriebeelement kann auch als Kopplungselement für den magnetischen Fluss zwischen den Magnetpolpaaren der beiden anderen Getriebeelemente aufgefasst werden. Das die Magnetflusselemente aufweisende Getriebeelement ist typischerweise zwischen den beiden die Magnetpolpaare aufweisenden Getriebeelementen angeordnet. Die Anzahl der Magnetpolpaare der beiden Getriebeelemente und die Anzahl der Magnetflusselemente sind verschieden, um eine Über- bzw. Untersetzung zu erzielen, bei gleicher Anzahl der Magnetpolpaare der beiden Getriebeelemente und der Magnetflusselemente hat das magnetische Getriebe eine Übersetzung von 1, ist also strenggenommen eine Kupplung. Das Getriebeelement, das weniger Magnetpolpaare aufweist, weist mindestens ein Magnetpolpaar auf.
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Vorteile eines magnetischen Getriebes im Vergleich mit einem mechanischen Zahnradgetriebe sind eine Verschleißfreiheit, weil Kräfte berührungslos als Magnetkräfte übertragen werden, der Entfall einer Verzahnungsschmierung, ein Überlastschutz gegen hohe Drehmomente durch Schlupf, Laufruhe, hoher Wirkungsgrad, weil keine mechanische Reibung entsteht und keine Biegebeanspruchung von Getriebewellen durch einseitigen Kraftangriff.
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Ein Nachteil eines magnetischen Getriebes ist eine Welligkeit der Momentenübertragung. Ein zwischen den Getriebeelementen übertragenes Drehmoment ist abhängig von einer Winkelstellung der Getriebeelemente zueinander und ändert sich mit einer Verdrehung der Getriebeelemente gegeneinander. Es entstehen Rastmomente, die letztlich zu Schwankungen im Drehmoment führen.
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Vorzugsweise weist ein magnetisches Getriebe Permanentmagnete auf, möglich sind allerdings auch Elektromagnete. Wegen der einfachen Stromzuführung sind Elektromagnete insbesondere denkbar für das drehfest gehaltene Getriebeelement, wodurch sich ein großer magnetischer Fluss und große Magnetkräfte erzeugen und infolge dessen hohe Drehmomente übertragen lassen.
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Aufgabe der Erfindung ist eine Reduktion und vorzugsweise Elimination der Welligkeit der Drehmomentenübertragung eines magnetischen Getriebes, also eine Verringerung oder vorzugsweise Unabhängigkeit der Drehmomentenübertragung von den Winkelstellungen der Getriebeelemente eines magnetischen Getriebes zueinander.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Die Getriebeelemente des erfindungsgemäßen magnetischen Getriebes weisen Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente auf, die axial nebeneinander und/oder radial innerhalb und/oder außerhalb voneinander angeordnet sind. Diese Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente weisen einen Versatz in Umfangsrichtung auf. Es weisen also zumindest zwei der drei Getriebeelemente des erfindungsgemäßen magnetischen Getriebes ein- oder mehrere Magnetpolpaare oder Magnetflusselemente auf, die axial nebeneinander und/oder radial innerhalb oder außerhalb voneinander mit Versatz in Umfangsrichtung angeordnet sind. Dieser Versatz in Umfangsrichtung nebeneinander bzw. innerhalb oder außerhalb voneinander angeordneter Magnetpolpaare ist auch vorhanden, wenn das Getriebeelement mehrere Magnetpolpaare aufweist, die über den Umfang verteilt angeordnet sind. Der Versatz axial nebeneinander und/oder radial innerhalb oder außerhalb voneinander angeordneter Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente ist bei mindestens zwei der drei Getriebeelemente des magnetischen Getriebes vorhanden, er kann auch bei allen drei Getriebeelementen vorhanden sein. Durch den Versatz der nebeneinander oder innerhalb- oder außerhalb voneinander angeordneten Magnetpolpaaren und/oder Magnetflusselementen in Umfangsrichtung erhöht die Anzahl der Raststellungen, also der Winkelstellungen, in denen die drei Getriebeelemente einrasten, bzw. es verteilen sich die Raststellungen diskret oder kontinuierlich in Umfangsrichtung, wodurch sich die Rastmomente verringern. Mit anderen Worten: Die Abhängigkeit des zwischen den Getriebeelementen übertragenen Drehmoments von der Winkelstellung der Getriebeelemente zueinander und damit Drehmomentschwankungen verringern sich, nicht jedoch das zwischen den Getriebeelementen übertragene oder maximal übertragbare Drehmoment, eine Welligkeit der Drehmomentenübertragung bei einer Drehung der Getriebeelemente gegeneinander nimmt ab. Das erfindungsgemäße magnetische Getriebe ist sozusagen in mehrere Getriebe unterteilt, die zueinander winkelversetzt sind und dadurch ihre Raststellungen in unterschiedlichen Winkelstellungen aufweisen.
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Die größte Reduktion der Welligkeit des Drehmoments des erfindungsgemäßen magnetischen Getriebes ergibt sich, wenn der Versatz der Magnetpolpaare bzw. der Magnetflusselemente 360 Grad geteilt durch die Anzahl der axial nebeneinander und/oder radial innerhalb bzw. außerhalb voneinander angeordneten Magnetpolpaare bzw. Magnetflusselemente beträgt. Mit anderen Worten, die Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente sind gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. Benachbarte Magnetpolpaare und/oder Magnetfluseelemente können um ein Mehrfaches dieses Winkels in Umfangsrichtung versetzt zueinander sein, insgesamt sollten die axial nebeneinander und/oder radial innerhalb oder außerhalb voneinander angeordneten Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sein.
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Möglich sind auch schraubenlinienförmige oder schneckenlinienförmige Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente, was sozusagen ein Übergang von einem diskreten zu einem kontinuierlichen Versatz der Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente in Umfangsrichtung führt. Dabei sollte ein Winkel, um den sich die Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente in Umfangsrichtung erstrecken, 360 Grad geteilt durch die Anzahl der Magnetpolpaare bzw. Magnetflusselemente betragen. Mit anderen Worten: Die Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente sollten sich einmal über den Umfang geteilt durch die Anzahl der Magnetpolpaare bzw. Magnetflusselemente erstrecken. Im Idealfall ist das zwischen den Getriebeelementen übertragene Drehmoment konstant, die Getriebeelemente weisen keine Raststellungen und die Drehmomentübertragung keine Welligkeit auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung darstellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Stirnansicht eines magnetischen Getriebes gemäß der Erfindung; und
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2 eine perspektivische Darstellung der Einzelteile des Getriebes aus 1.
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Die Zeichnung ist als schematisierte und vereinfachte Darstellung zum Verständnis und zur Erläuterung der Erfindung zu verstehen.
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Das in 1 stark vereinfacht gezeichnete, erfindungsgemäß magnetische Getriebe 1 weist drei koaxial ineinander angeordnete Getriebeelemente 2, 3, 4 auf, nämlich eine drehbar gelagerte Welle als Läufer 5, ein ebenfalls drehbar gelagertes, rohrförmiges Kopplungselement 6, das den Läufer konzentrisch umschließt, und als Hohlwelle aufgefasst werden kann und einen drehfesten Stator 7, der den Läufer 5 und das Kopplungselement 6 konzentrisch umschließt und ein Gehäuse des magnetischen Getriebes 1 bildet. Als Antrieb ist der Läufer 5 und als Abtrieb das Kopplungselement 6 vorgesehen.
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Der Läufer 5 weist schmale, halbkreisförmige Magnetpolpaare n, s auf, die axial nebeneinander und aneinander anliegend angeordnet sind. In Umfangsrichtung sind die nebeneinander angeordneten Magnetpolpaare n, s versetzt zueinander, wobei der Versatz 360 Grad geteilt durch die Anzahl der nebeneinander angeordneten Magnetpolpaare n, s beträgt (2). Der Versatz vom ersten Magnetpolpaar n, s an einem Ende des Läufers 5 zum letzten Magnetpolpaar n, s am anderen Ende des Läufers 5 beträgt 360 Grad, die dazwischen angeordneten Magnetpolpaare n, s sind stets um denselben Winkel in Umfangsrichtung zueinander versetzt. Insgesamt ergibt sich an sich ein Magnetpolpaar n, s, das sich schraubenlinienförmig mit genau einer Windung auf der Länge des Läufers 5 um den Läufer 5 windet. Allerdings ist das Magnetpolpaar n, s wie vorstehend beschrieben nicht durchgehend ausgebildet, sondern in schmale Elemente unterteilt, die jeweils denselben Versatz in Umfangsrichtung aufweisen, so dass sich insgesamt genau eine Windung ergibt und das erste und das letzte Magnetpolpaar n, s wie bereits gesagt dieselbe Umfangsposition annehmen.
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Das rohrförmige Kopplungselement 6 weist Magnetflusselemente 8 auf, die einen magnetischen Fluss zwischen den Magnetpolpaaren n, s des Läufers 5 und Magnetpolpaaren N, S des Stators 7 leiten. Die Magnetflusselemente 8 weisen eine hohe magnetische Leitfähigkeit (magnetische Permeabilität) auf, sie sind ferromagnetisch und bestehen beispielsweise aus Weicheisen (Trafoblech). In Umfangsrichtung weisen die Magnetflusselemente 8 Abstand voneinander auf. In Umfangsrichtung sind die Magnetflusselemente 8 durch einen Träger miteinander verbunden, der der besseren Anschaulichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Träger verbindet die Magnetflusselemente 8 zu dem rohrförmigen Kopplungselement 6. Der Träger ist magnetisch neutral, idealerweise beeinflusst er den magnetischen Fluss zwischen den Magnetpolpaaren n, s, N, S nicht. Die Magnetflusselemente 8 können auch in anderer Weise miteinander verbunden sein, beispielsweise mit Scheiben an beiden Enden und/oder Ringen an beiden Enden und/oder zwischen den beiden Enden. Im Ausführungsbeispiel weist das Kopplungselement 6 in Umfangsrichtung gesehen neun Magnetflusselemente 8 auf, die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Die Anzahl von neun Magnetflusselementen 8 auf dem Umfang ist nicht zwingend für die Erfindung, die Anzahl der Magnetflusselemente 8 über den Umfang des Kopplungselements 6 bestimmt eine Übersetzung des magnetischen Getriebes 1 mit.
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In axialer Richtung sind die Magnetflusselemente 8 schmale Scheiben, die in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, so dass sie schraubenlinienförmige Stangen bilden, wie es in 2 zu sehen ist. Der Versatz der axial nebeneinander angeordneter Magnetflusselemente 8 in Umfangsrichtung beträgt 360 Grad geteilt durch die Anzahl der nebeneinander angeordneten Magnetflusselemente-Scheiben und geteilt durch die Anzahl der in Umfangsrichtung angeordneten Magnetflusselemente 8. Letztere Anzahl ist im Ausführungsbeispiel wie gesagt neun. Insgesamt beträgt der Versatz in Umfangsrichtung von einem ersten Magnetflusselement 8 an einem Ende des Kopplungselements 6 zu einem letzten Magnetflusselement 8 an einem anderen Ende des Kopplungselements 6 360 Grad geteilt durch die Anzahl der Magnetflusselemente 8, die das Kopplungselement 6 in Umfangsrichtung aufweist. Bei neun Magnetflusselementen 8 in Umfangsrichtung winden sich die schraubenlinienförmigen Magnetflusselemente 8 über die Länge des Kopplungselements 6 um 40 Grad in Umfangsrichtung. Das ergibt mit dem Läufer 5, der in Umfangsrichtung ein Magnetpolpaar n, s aufweist, eine geringst mögliche Welligkeit einer Momentenübertragung vom Läufer 5 auf das Kopplungselement 6. Die Welligkeit der Momentenübertragung verringert sich mit schmaleren Scheiben der Magnetflusselemente 8 und wird minimiert bzw. verschwindet ganz, wenn die Magnetflusselemente 8 nicht in Scheiben unterteilt, sondern einstückig durchgehend ausgebildet sind.
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Der Stator 7 weist im Ausführungsbeispiel acht Magnetpolpaare N, S an seiner Innenseite auf, die sich achsparallel über seine Länge erstrecken. In 2 sind der besseren Anschaulichkeit wegen nur die Magnetpolpaare N, S, des Stators 7 gezeichnet. Die Anzahl der Magnetpolpaare N, S des Stators 7 ergibt sich als Differenz der Anzahl der Magnetflusselemente 8 abzüglich der Anzahl der Magnetpolpaare n, s, die der Läufer 5 in Umfangsrichtung aufweist. Das Übersetzungsverhältnis des magnetischen Getriebes 1 ergibt sich als Quotient der Magnetflusselemente 8, die das Kopplungselement 6 in Umfangsrichtung aufweist, und der Anzahl der Magnetpolpaare n, s, die der Läufer 5 in Umfangsrichtung aufweist.
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Im Ausführungsbeispiel weist das magnetische Getriebe 1 Permanentmagnete als Magnetpolpaare (n, s; N, S) des Läufers 5 und des Stators 7 auf.
