DE102015206460A1

DE102015206460A1 - Magnetische Kupplung, insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung

Info

Publication number: DE102015206460A1
Application number: DE102015206460.3A
Authority: DE
Inventors: Oliver Fritz; Rolf Müller; Thomas Riemay
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2016-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetische Kupplung (1), insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, – mit einem eine Außenrotor (2) und einem dazu konzentrischen Innenrotor (3), welche um eine gemeinsame, sich entlang einer axialen Richtung (A) der beiden Rotoren (2, 3) erstreckende Drehachse (D) drehverstellbar sind, – wobei der Außenrotor (2) eine Mehrzahl von äußeren Magnetelementen (4) und der Innenrotor (3) eine Mehrzahl von inneren Magnetelementen (5) umfasst, – wobei der Außenrotor (2) einen sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckenden Außenkäfig (6) aus einem elektrisch leitenden Material, an welchem die äußeren Magnetelemente (4) angeordnet sind, aufweist und/oder wobei der Innenrotor (3) einen sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckenden Innenkäfig (12) aus einem elektrisch leitenden Material aufweist, an welchem die inneren Magnetelemente (5) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Kupplung, insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, sowie eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einer solchen magnetischen Kupplung. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Abwärmenutzungseinrichtung oder einer solchen magnetischen Kupplung.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine fallen typischerweise große Abwärme-Mengen an. Es ist grundsätzlich möglich und erstrebenswert, diese Abwärme-Mengen mit entsprechenden thermodynamischen Prozessen in mechanische Arbeit umzuwandeln bzw. in einer für mechanische Arbeit geeigneten Weise zu speichern. Etwa besteht die prinzipielle Möglichkeit, mittels der Abwärme eines Abgassystems ein Fluid, wie zum Beispiel Ethanol, Kältemittel oder Wasser-Ammoniak zu verdampfen und den so erzeugten Dampf zum Betrieb einer Turbine oder einer sonstigen Expansions- oder Strömungsmaschine zu nutzen. Dabei sollten das Turbinenrad der Turbine in einem fluidisch hermetisch isolierten Bereich arbeiten, um das zum Betrieb verwendete Fluid nachfolgend ohne Schwund erneut erhitzen und zum Antreiben des Turbinenrads heranziehen zu können. Auch aus Sicherheitsgründen kann eine hermetische Abdichtung erforderlich sein, etwa um einen Austritt von Ethanol und eine damit verbundene Entzündung des Ethanols zu vermeiden. In diesem Zusammenhang besteht das Problem, das Turbinenrad antriebsmäßig mit einer die Arbeit der Turbine oder dergleichen nutzenden Einrichtung zu verbinden.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, magnetische Kupplungen zu verwenden, mittels welcher das vom Turbinenrad in einem fluidisch isolierten Bereich erzeugte Drehmoment kontaktlos aus dem isolierten Bereich heraus übertragen werden kann. Hierzu ist es bekannt, das Turbinenrad der Turbine drehfest mit einem antriebsseitigen, ersten Rotor zu verbinden, welcher im fluidisch isolierten Bereich angeordnet ist. Ein abtriebsseitiger zweiter Rotor ist hingegen außerhalb des isolierten Bereichs angeordnet. Die Drehmomentübertragung zwischen den beiden Rotoren erfolgt durch magnetische Kopplung der an den beiden Rotoren vorgesehenen magnetischen Elemente. Derartige, herkömmlichen Magnetkupplungen besitzen typischerweise einen Innenrotor und einen Außenrotor, die beide um eine gemeinsame axiale Drehachse drehverstellbar sind. Der Außenrotor ist dabei bezüglich der Drehachse radial außerhalb des Innenrotors angeordnet.
Ist nun der abtriebsseitige der beiden Rotoren – also je nach Konfiguration der Außenrotor oder der Innenrotor – mit einer Last gekoppelt, so kann das Szenario eintreten, dass der abtriebsseitige Rotor einer Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des antriebsseitigen Rotors nicht mehr zu folgen vermag. Ein solcher Effekt ist dem einschlägigen Fachmann als „Durchrutschen“ der Kupplung bekannt. Mit einem solchen „Durchrutschen“ der Kupplung ist jedoch eine unerwünschte Drehzahl-Differenz der beiden Rotoren verbunden, die im Extremfall zu einer unkontrollierten Drehbewegung des abtriebsseitigen Rotors führt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer magnetischen Kupplung zu schaffen, bei welcher insbesondere ein unerwünschtes „Durchrutschen“ der Kupplung weitgehend oder sogar vollständig ausgeschlossen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, den Außenrotor und, alternativ oder zusätzlich, den Innenrotor mit einem käfigartigen Aufbau – nachfolgend als Außenkäfig bzw. Innenkäfig bezeichnet – aus einem elektrisch leitenden Material auszustatten. In dem Außen- bzw. Innenkäfig werden elektrische Kreisströme induziert, wenn sich im Betrieb der beiden Rotoren eine Drehzahldifferenz zwischen den beiden Rotoren aufbaut. Durch die mit solchen elektrischen Induktionsströmen im Außen- bzw. Innenkäfig einhergehenden Magnetfelder kann ein zusätzliches Drehoment auf den abtriebsseitigen Rotor – also je nach Konfiguration der magnetischen Kupplung auf den Außen- oder auf den Innenrotor – wirkendes Drehmoment erzeugt werden, welches besagter Drehzahldifferenz entgegen wirkt. Das heißt, mittels des zusätzlichen Drehmoments wird der abtriebsseitige Rotor beschleunigt oder entschleunigt, also abgebremst, und zwar derart, dass sich die Drehzahldifferenz zwischen den beiden Rotoren wieder verringert, bis sie im Idealfall vollständig aufgehoben ist. Ein oben erläutertes Durchrutschen der magnetischen Kupplung kann auf diese Weise weitgehend oder sogar vollständig ausgeschlossen werden.
Eine erfindungsgemäße magnetische Kupplung, insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, umfasst einen Außenrotor und einen dazu konzentrischen Innenrotor, welche um eine gemeinsame Drehachse drehverstellbar sind, die sich entlang einer axialen Richtung der beiden Rotoren erstreckt. Die Drehverstellbarkeit kann sich dabei sowohl auf die relative Drehposition der beiden Rotoren zueinander als auch relativ auf ein gemeinsames, ortsfestes Gehäuse beziehen. Der Außenrotor der magnetischen Kupplung umfasst eine Mehrzahl von äußeren Magnetelementen, und der Innenrotor umfasst eine Mehrzahl von inneren Magnetelementen. Erfindungsgemäß weist der Außenrotor einen sich entlang der axialen Richtung erstreckenden Außenkäfig aus einem elektrisch leitenden Material auf. Am Außenkäfig sind dabei die äußeren Magnetelemente des Außenrotors angeordnet. Alternativ oder zusätzlich weist der Innenrotor der erfindungsgemäßen magnetischen Kupplung einen sich entlang der axialen Richtung erstreckenden Innenkäfig aus einem elektrisch leitenden Material auf, an welchem die inneren Magnetelemente angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen der Außenkäfig und/oder der Innenkäfig eine, insbesondere im Querschnitt senkrecht zur Drehachse ringförmig ausgebildete, erste Endplatte auf. Diese erste Endplatte ist in der axialen Richtung der magnetischen Kupplung im Abstand zu einer, insbesondere ringförmig ausgebildeten, zweiten Endplatte angeordnet. Bevorzugt besitzt wenigstens eine der beiden Endplatten im Querschnitt senkrecht zur Drehachse eine ringförmige Geometrie. Besonders bevorzugt besitzen beide Endplatten eine ringförmige Geometrie. Zur Ausbildung einer käfigartigen Geometrie sind die beiden Endplatten des Außen- und/oder Innenkäfigs mittels wenigstens eines Verbindungselements, vorzugsweise mittels dreier Verbindungselemente, höchst vorzugsweise mittels vier Verbindungselementen drehfest, insbesondere elektrisch leitend, miteinander verbunden. Mittels einer derartigen Geometrie könne effektive elektrische Ströme im jeweiligen Käfig induziert werden, was zu einer verbesserten Wirksamkeit des Außen- bzw. Innenkäfigs führt.
Besonders zweckmäßig können die Verbindungselemente als sich entlang der axialen Richtung erstreckende Verbindungsstäbe ausgebildet sein. Dies ermöglicht auf konstruktiv einfache Weise die Realisierung der erfindungswesentlichen Käfigstruktur des Außen- bzw. Innenkäfigs.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können die Verbindungselemente integral an den beiden Endplatten ausgeformt sein. Auf diese Weise wird auch automatisch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Verbindungselementen und den Endplatten realisiert. Alternativ dazu können die Verbindungselemente bzw. Verbindungsstäbe dargestellt als separate Bauteile ausgebildet sein, die mittels einer stoffschlüssigen Verbindung an die beiden Endplatten gefügt sind.
Um die geforderte elektrische Leitfähigkeit des Materials des Außen- bzw. Innenkäfigs sicherzustellen, wird in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, als Material für wenigstens ein Verbindungselement, vorzugsweise für alle Verbindungselemente, und/oder für wenigstens eine Endplatte, vorzugsweise für die beiden Endplatten, ein Metall, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium oder Messing, zu verwenden.
Eine besonders hohe Kopplungseffizienz der magnetische Kopplung zwischen den beiden Rotoren kann erzielt, werden, wenn der Außenrotor wenigstens zwei äußere Magnetelemente aufweist, welche im Querschnitt senkrecht zur Drehachse entlang einer Umfangsrichtung des Außenrotors benachbart und im Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei ist zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten äußeren Magnetelementen jeweils ein Verbindungselement angeordnet. Derselbe Effekt wird erzielt, wenn – alternativ oder zusätzlich zu oben beschriebener Konfiguration des Außenrotors – auch der Innenrotor mit wenigstens zwei inneren Magnetelemente versehen wird, welche im Querschnitt senkrecht zur Drehachse entlang einer Umfangsrichtung des Innenrotors benachbart und im Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei ist zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten inneren Magnetelementen jeweils ein Verbindungselement angeordnet.
Zum Zwecke der stabilen Anordnung der äußeren Magnetelemente im oder am Außenkäfig wird vorgeschlagen, die äußeren Magnetelemente derart am Außenkäfig anzuordnen, dass sich wenigstens ein äußeres Magnetelement an den beiden Endplatten und/oder an den beiden in Umfangsrichtung benachbarten Verbindungselementen abstützt. Vorzugsweise sind alle äußeren Magnetelemente auf diese Art und Weise am bzw. im Außenkäfig angeordnet. In analoger Weise kann sich, alternativ oder zusätzlich zu den äußeren Magnetelementen, wenigstens ein inneres Magnetelement, an den beiden Endplatten und/oder an den beiden in Umfangsrichtung benachbarten Verbindungselemente abstützen. Vorzugsweise gilt dies für alle inneren Magnetelemente.
Eine besonders gute Drehmomentanpassung mit Hilfe des Außen- bzw. Innenrotor lässt sich erzielen, wenn zwei in Umfangsrichtung benachbarte Verbindungsstäbe und – vorzugsweise abschnittsweise – die beiden Endplatten eine Durchgangsöffnung einfassen, in welcher ein äußeres bzw. inneres Magnetelement angeordnet ist.
Eine besonders gute magnetische Kopplung der äußeren Magnetelemente mit den inneren Magnetelementen lässt sich erzielen, wenn die jeweilige Durchgangsöffnung durch das betreffende innere bzw. äußere Magnetelement verschlossen ist.
Mit besonders geringen Fertigungskosten verbunden ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher die äußeren Magnetelemente als Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung alternierender magnetischer Polarisation ausgebildet sind. Mit anderen Worten, entlang der Umfangsrichtung wechselt sich ein magnetischer Nordpol mit eine magnetischen Südpol ab. Alternativ oder zusätzlich können – in analoger Weise zu den äußeren Magnetelementen – auch die inneren Magnetelemente als Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung alternierende magnetischer Polarisation ausgebildet sein.
Ein mechanisch besonders stabiler Aufbau ergibt sich bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei welcher, der Außenrotor radial außerhalb der äußeren Magnetelemente einen äußere Basiskörper aufweist. Auf dem äußeren Basiskörper sind – drehfest relativ zum äußeren Basiskörper und vorzugsweise radial innen – die äußeren Magnetelemente angeordnet. Besonders bevorzugt ist der äußere Basiskörper aus einem Metall hergestellt. In analoger Weise kann auch Innenrotor, alternativ oder zusätzlich zum Basiskörper des Außenrotors, radial innerhalb der inneren Magnetelemente einen inneren Basiskörper aufweisen. Auf dem inneren Basiskörper sind, bevorzugt radial außen, die inneren Magnetelemente drehfest zum inneren Basiskörper angeordnet. Besonders bevorzugt ist der innere Basiskörper aus einem Metall hergestellt. Die äußeren und inneren Magnetelemente können mittels einer Klebverbindung am äußeren bzw. inneren Basiskörper befestigt sein.
Besonders zweckmäßig kann der innere Basiskörper als Zylinder und, alternativ oder zusätzlich, der äußere Basiskörper als Hohlzylinder ausgebildet sein. Eine solche, relativ zu einer Mittellängsachse des Zylinders bzw. Hohlzylinders rotationssymmetrische Geometrie gewährleistet, dass unerwünschte Unwuchten bei der Drehbewegung des Außen- bzw. Innenrotors vermieden werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die magnetische Kupplung als magnetisches Getriebe ausgebildet sein. Hierzu ist an einer ortsfest zum Außen- und Innenrotor ausgebildeten Gehäusewand eine Mehrzahl von Polstäben aus einem magnetischen oder magnetisierbaren oder ferromagnetischen Material angeordnet. Mittels der Polstäbe wird die Drehzahl des Außenrotors oder des Innenrotors – je nachdem, welcher der beiden Rotoren antriebsseitig und welcher abtriebsseitig angeordnet ist – ins Langsame übersetzt. Mittels des erfindungswesentlichen Außen- bzw. Innenkäfigs wird im Falle des magnetischen Getriebes dabei ausdrücklich keine Aufhebung der zwischen Außen- und Innenrotor gerade gewünschten Drehzahl-Differenz bewirkt, sondern lediglich – in analoger Weise zur magnetischen Kupplung – ein unerwünschtes Durchrutschen des magnetischen Getriebes verhindert.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Abwärmenutzungseinrichtung, insbesondere für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs. Die Abwärmenutzungseinrichtung umfasst eine Turbine, die von einem mittels Abwärme erhitzbaren Fluid antreibbar ist. Die Turbine ist in einem gegen Fluidverlust durch eine hermetisch dichte Abtrennung abgesperrten Bereich angeordnet und abtriebsseitig berührungsfrei mit einer zur Nutzung der Turbinenarbeit vorgesehenen Einrichtung außerhalb der Abtrennung antriebsgekoppelt. Zur Antriebskopplung umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung vorangehend erläuterte, erfindungsgemäße magnetische Kupplung mit innerhalb der Abtrennung angeordnetem Innenrotor und außerhalb der Abtrennung angeordnetem Außenrotor. In einer Variante kann die Anordnung von Innenrotor und Außenrotor vertauscht sein.
Für die technische Realisierung besagter hermetische Abdichtung wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, den Außenrotor vom Innenrotor mittels einer Dichtkappe mit zu den beiden Rotoren konzentrischer Zwischenwand zu trennen. Die Zwischenwand bildet dabei einen Teil der hermetischen Abtrennung aus.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Kraftfahrzeug mit einer vorangehend erläuterten, erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung und/oder mit einer oben erläuterten, erfindungsgemäßen magnetischen Kupplung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen magnetischen Kupplung,
2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen magnetischen Kupplung in einem Längsschnitt entlang einer Drehachse er Rotoren der magnetischen Kupplung,
3 die magnetische Kupplung der 2 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III der 2,
4 den Außenkäfig des Außenrotors in separater Darstellung und in einer perspektivischen Ansicht,
5 den Außenkäfig mit daran angeordneten äußeren Magnetelementen in einer perspektivischen Ansicht,
6 den Innenkäfig mit daran angeordneten inneren Magnetelementen in einer perspektivischen Ansicht.
1 illustriert in grobschematischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung 20. Die Abwärmenutzungseinrichtung 20 umfasst eine Turbine 21 mit einem Turbinenrad 22, das von einem mittels Abwärme erhitzbaren Fluid angetrieben wird. Das Turbinenrad 22 der Turbine 21 ist in 1 nur schematisch angedeutet. Die Turbine 21 mit dem Turbinenrad 22 ist in einem gegen Fluidverlust durch eine hermetisch dichte Abtrennung 23 abgesperrten Bereich 25 angeordnet. Weiterhin ist die Turbine 21 abtriebsseitig berührungsfrei mit einer zur Nutzung der Turbinenarbeit vorgesehenen Einrichtung 24 außerhalb der Abtrennung 23 ausgebildet. Zur Antriebskopplung wird eine erfindungsgemäße magnetische Kupplung 1 mit innerhalb der Abtrennung 23 angeordnetem Innenrotor 3 und außerhalb der Abtrennung 23 angeordnetem Außenrotor 2 verwendet. Der Innenrotor 3 ist über eine Antriebswelle 26 drehfest mit dem Turbinenrad 22 verbunden. Im Beispielszenario der 1 wird der Außenrotor 2 vom Innenrotor 3 durch eine Dichtkappe 27 mit zu den beiden Rotoren 2, 3 konzentrischer Zwischenwand 28 getrennt. Die Dichtkappe 27 ist also Teil der hermetischen Abtrennung 23. Die Zwischenwand 28 bildet als Stirnwand einen Teil der Dichtkappe 27 und somit der hermetischen Abtrennung 23 aus.
Die 2 und 3 zeigen ein Beispiel einer erfindungsgemäßen magnetischen Kupplung 1, wie sie in der Abwärmenutzungseinrichtung 20 der 1 eingesetzt werden kann. Die 2 zeigt die magnetische Kupplung 1 in einem Längsschnitt entlang einer Drehachse D, die 3 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III der 2. Wie die 2 und 3 erkennen lassen, umfasst die magnetische Kupplung 1 einen Außenrotor 2 und einem dazu konzentrischen Innenrotor 3, welche beide um eine gemeinsame, sich entlang einer axialen Richtung der beiden Rotoren 2, 3 erstreckende Drehachse D drehverstellbar sind. Besagte Drehverstellbarkeit kann sich dabei sowohl auf die relative Drehposition der beiden Rotoren 2, 3 zueinander als auch auf ein gemeinsames, ortsfestes Gehäuse wie etwa die in 1 gezeigte hermetische Abtrennung 23 beziehen. Durch die Drehachse D ist eine axiale Richtung A der magnetischen Kupplung 1 definiert. Wie die Querschnittsdarstellung der 3 erkennen lässt, umfasst der Außenrotor 2 eine Mehrzahl von äußeren Magnetelementen 4. Im Beispiel der Figuren sind exemplarisch vier äußere Magnetelemente 4 gezeigt. Entsprechend umfasst der Innenrotor 3 eine Mehrzahl von inneren Magnetelementen 5. Im Beispiel der Figuren sind exemplarisch vier innere Magnetelemente 5 dargestellt. Die jeweilige magnetische Polarisation der äußeren und inneren Magnetelemente 4, 5 ist in den Figuren mit „N“ für „magnetischer Nordpol“ oder „S“ für „magnetischer Südpol“ bezeichnet. Im Beispiel der Figuren sind die äußeren Magnetelemente 4 als Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung U des äußeren Rotors 2 alternierender magnetischer Polarisation „N“, „S“ ausgebildet. Entsprechend den 2 und 3 weist der Außenrotor 2 radial außerhalb der äußeren Magnetelemente 4 einen äußere Basiskörper 11, vorzugsweise aus einem Metall, auf, auf welchem radial innen die äußeren Magnetelemente drehfest zum äußeren Basiskörper 11 angeordnet sind. Der äußere Basiskörper 11 kann wie in den 2 und 3 gezeigt die Geometrie eines Hohlzylinders aufweisen. Die äußeren Magnetelemente 4 können mittels einer Klebverbindung am äußeren Basiskörper 11 befestigt sein.
Der Außenrotor 2 umfasst einen sich entlang der axialen Richtung A erstreckenden Außenkäfig 6 aus einem elektrisch leitenden Material. Die 4 zeigt den Außenkäfig 6 des Außenrotors 2 in separater Darstellung und in einer perspektivischen Ansicht. Man erkennt, dass der Außenkäfig 6 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse D eine ringförmige erste Endplatte 7a aufweist. Die erste Endplatte 7a ist in der axialen Richtung im Abstand zu einer im Querschnitt senkrecht zur Drehachse D ebenfalls ringförmigen zweiten Endplatte 7b angeordnet. Anstelle einer ringförmigen Geometrien können eine oder beide Endplatte(n) 7a, 7b auch eine andere geeignete Geometrie aufweisen. Im Beispiel der 4 sind die beiden Endplatten 7a, 7b mittels vier Verbindungselementen 8 drehfest und auch elektrisch leitend miteinander verbunden. In Varianten des Beispiels ist auch eine andere Anzahl an Verbindungselementen 8, insbesondere drei oder acht Verbindungselemente 8, denkbar. Wie die 4 erkennen lässt, sind die Verbindungselemente 8 jeweils als sich entlang der axialen Richtung A erstreckende Verbindungsstäbe 9 ausgebildet. Die Verbindungselemente 8 bzw. Verbindungsstäbe 9 können integral an den beiden Endplatten 7a, 7b ausgeformt sein. Alternativ dazu können die Verbindungselemente 8 bzw. Verbindungsstäbe 9 wie in 4 dargestellt als separate Bauteile ausgebildet sein, die an die beiden Endplatten 7a, 7b, beispielsweise mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, gefügt sind. Die Verbindungselemente 8 bzw. Verbindungsstäbe 9 und, alternativ oder zusätzlich, wenigstens eine der Endplatten 7a, 7b kann aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium oder Messing, bestehen.
Betrachtet man nun wieder die 2 und 3, so erkennt man, dass die äußeren Magnetelemente 4 am Außenkäfig 6 des Außenrotors 2 angeordnet sind. Der Querschnitts-Darstellung der 3 entnimmt man, dass sich die vier äußeren Magnetelemente 4 des Außenrotors 2 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse D entlang einer Umfangsrichtung U des Außenrotors 2 benachbart und im Abstand zueinander angeordnet sind. Entlang der Umfangsrichtung U ist zwischen zwei äußeren Magnetelementen jeweils ein Verbindungselement 8 bzw. ein Verbindungsstab 9 angeordnet.
Die 5 zeigt den Außenkäfig 6 mit daran angeordneten äußeren Magnetelementen 4. Aus der Zusammenschau der 5 mit der 4 entnimmt man, dass zwei in Umfangsrichtung U benachbarte Verbindungselemente 8 bzw. Verbindungsstäbe 9 und die beiden Endplatten 7a, 7b jeweils eine Durchgangsöffnung 10 einfassen, in welcher ein äußeres Magnetelement 4 angeordnet ist. Bevorzugt ist die jeweilige die Durchgangsöffnung 10 durch das betreffende äußere Magnetelement 4 verschlossen ist. Wie die 2, 3 und 5 erkennen lassen, stützen sich die äußeren Magnetelemente 4 an den beiden Endplatten 7a, 7b und an den beiden in Umfangsrichtung U benachbarten Verbindungselementen 8 bzw. Verbindungsstäben 9 ab. Die äußeren Magnetelemente 4 können mittels einer Klebverbindung einer oder an beiden Endplatten 7a sowie, alternativ oder zusätzlich, an den Verbindungselementen 8 bzw. Verbindungsstäben 9 befestigt sein.
In analoger Weise zum vorangehend erörterten Außenkäfig 6 kann auch der Innenrotor 3 einen sich entlang der axialen Richtung A erstreckenden Innenkäfig 12 aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen, an welchem die inneren Magnetelemente 5 angeordnet sind. Auch die inneren Magnetelemente 5 sind im Beispielszenario als Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung U alternierender magnetischer Polarisation ausgebildet. Alle obigen Erläuterungen zum Außenrotor 2 und dem Außenkäfig 6 gelten also mutatis mutandis auch für den Innenrotor 3 mit dem Innenkäfig 12. Die nachfolgenden Erläuterungen beschränken sich daher auf die wesentlichen Eigenschaften des Innenkäfigs 12:
Gemäß 3 weist der Innenrotor 3 vier innere Magnetelemente 5 auf, welche im Querschnitt senkrecht zur Drehachse D entlang der Umfangsrichtung U des Innenrotors 3 benachbart und im Abstand zueinander angeordnet sind. Zwischen zwei in der Umfangsrichtung U benachbarten inneren Magnetelementen 5 ist jeweils – analog zum Außenkäfig 6 – ein Verbindungselement 14 des Innenkäfigs 12 in Form eines Verbindungsstabs angeordnet.
Die 6 zeigt den Innenkäfig 12 mit daran angeordneten inneren Magnetelementen 5. Man erkennt, dass sich die inneren Magnetelemente 5 jeweils an den beiden Endplatten 16a, 16b des Innenkäfigs 12 und an jeweils den und/oder an den beiden in Umfangsrichtung U benachbarten Verbindungselementen 14 in Form von Verbindungsstäben 15 abstützen.
Betrachtet man abschließend erneut die 3, so erkennt man, dass der Innenrotor 3 radial innerhalb der inneren Magnetelemente 5 einen inneren Basiskörper 13, vorzugsweise aus einem Metall, aufweist, auf welchem radial außen die inneren Magnetelemente 5 drehfest zum inneren Basiskörper 13 angeordnet sind. Der innere Basiskörper 13 kann wie in 3 gezeigt als Zylinder ausgebildet sein.
In einer Variante des Beispiels kann die magnetische Kupplung 1 als magnetisches Getriebe ausgebildet sein. Hierzu kann an einer ortsfest zum Außen- und Innenrotor 2, 3 ausgebildeten Gehäusewand eine Mehrzahl von Polstäben aus einem magnetischen oder magnetisierbaren oder ferromagnetischen Material angeordnet sein, mittels welchen die Drehzahl des Außenrotors 2 oder des Innenrotors 3 – je nachdem, welcher der beiden Rotoren 2, 3 antriebsseitig und welcher abtriebsseitig angeordnet ist – ins Langsame übersetzt ist. Mittels des erfindungswesentlichen Außen- bzw. Innenkäfigs 6, 12 wird im Falle des magnetischen Getriebes keine Aufhebung der zwischen Außen- und Innenrotor 2, 3 ja im Sinne einer Übersetzung gerade gewünschten Drehzahl-Differenz bewirkt, sondern in analoger Weise zur magnetischen Kupplung 1 ein Durchrutschen des magnetischen Getriebes verhindert. Wird die magnetische Kupplung 1 der Abwärmenutzungseinrichtung 20 der 1 als magnetisches Getriebe realisiert, so können die Polstäbe 29 an der Dichtkappe 27, insbesondere an deren die besagte Gehäusewand ausbildenden Umfangswand 30, angeordnet sein.
Die Wirkungsweise der Polstäbe 29 soll im Folgenden anhand eines Beispiels erläutert werden:
Die Anzahl n an Polstäben 29 soll im Beispiel der Figuren n = 12 betragen. Am antriebseitigen Innenrotor 3 seien sechs innere Magnetelemente 5 vorhanden sind, welche drei erste Polpaare ausbilden. Die Zahl der ersten Polpaare wird nachfolgend als p₁ bezeichnet, d.h. im Beispiel der 5 beträgt p₁ = 3. Am abtriebsseitigen Außenrotor 2 seien achtzehn äußere Magnetelemente 4 vorhanden, welche neun zweite Polpaare ausbilden. Die Zahl der zweiten Polpaare wird nachfolgend mit p₂ bezeichnet, d.h. im Beispiel beträgt p₂ = 9. Für die Anzahl der Polstäbe n und die Anzahl der ersten und zweiten Polpaare p₁, p₂ gilt also die Beziehung n = p₁ + p₂.
Wenn nun der Innenrotor 3 in Umfangsrichtung U gedreht wird, werden die von Magnetelementen 5 des Innenrotors 3 erzeugten Magnetfelder durch die Polstäbe 29 auf der feststehenden Umfangswand 30 durchsetzt, mit der Folge, dass der Außenrotor 2 mit seinen Magnetelementen entgegen der Umfangsrichtung U dreht. Dabei wird die Drehzahl des Innenrotors 3 entsprechend dem Verhältnis p₁:p₂ ins Langsame übersetzt.

Claims

Magnetische Kupplung (1), insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, – mit einem eine Außenrotor (2) und einem dazu konzentrischen Innenrotor (3), welche um eine gemeinsame, sich entlang einer axialen Richtung (A) der beiden Rotoren (2, 3) erstreckende Drehachse (D) drehverstellbar sind, – wobei der Außenrotor (2) eine Mehrzahl von äußeren Magnetelementen (4) und der Innenrotor (3) eine Mehrzahl von inneren Magnetelementen (5) umfasst, – wobei der Außenrotor (2) einen sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckenden Außenkäfig (6) aus einem elektrisch leitenden Material, an welchem die äußeren Magnetelemente (4) angeordnet sind, aufweist und/oder wobei der Innenrotor (3) einen sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckenden Innenkäfig (12) aus einem elektrisch leitenden Material aufweist, an welchem die inneren Magnetelemente (5) angeordnet sind.
Magnetische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Außenkäfig (6) und/oder der Innenkäfig (12) eine, insbesondere im Querschnitt senkrecht zur Drehachse (D) ringförmig ausgebildete, erste Endplatte (7a, 16a) aufweist, welche in der axialen Richtung (A) im Abstand zu einer, insbesondere im Querschnitt senkrecht zur Drehachse (D) ringförmig ausgebildeten, zweiten Endplatte (7b, 16b) angeordnet ist, – die beiden Endplatten (7a, 7b, 16a, 16b) mittels wenigstens eines Verbindungselements (8, 14), vorzugsweise mittels dreier, höchst vorzugsweise mittels vier, Verbindungselemente (8, 14), drehfest, insbesondere elektrisch leitend, miteinander verbunden sind.
Magnetische Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (8, 14) als sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende Verbindungsstäbe (9, 15) ausgebildet sind.
Magnetische Kupplung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verbindungselemente (8, 14) integral an den beiden Endplatten (7a, 7b) ausgeformt sind, oder dass – die Verbindungselemente (8, 14)) als separate Bauteile ausgebildet sind, die, insbesondere mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, an die Endplatten (7a, 7b, 16a, 16b), gefügt sind.
Magnetische Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (8, 9) und/oder wenigstens eine Endplatte (7a, 7b, 16a, 16b) aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium oder Messing, bestehen.
Magnetische Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Außenrotor (2) wenigstens zwei äußere Magnetelemente (4) aufweist, welche im Querschnitt senkrecht zur Drehachse (D) entlang einer Umfangsrichtung (U) des Außenrotors benachbart und im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei zwischen zwei in der Umfangsrichtung (U) benachbarten äußeren Magnetelementen (4) jeweils ein Verbindungselement (8) angeordnet ist, und/oder dass – der Innenrotor (3) wenigstens zwei innere Magnetelemente (5) aufweist, welche im Querschnitt senkrecht zur Drehachse (D) entlang einer Umfangsrichtung (U) des Innenrotors (3) benachbart und im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei zwischen zwei in der Umfangsrichtung (U) benachbarten inneren Magnetelementen (4) jeweils ein Verbindungselement (14) angeordnet ist.
Magnetische Kupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens ein äußeres Magnetelement (4), vorzugsweise alle äußeren Magnetelemente (4), sich an den beiden Endplatten (7a, 7b) und/oder an den beiden in Umfangsrichtung (U) benachbarten Verbindungselemente (8) abstützt, und/oder dass – wenigstens ein inneres Magnetelement (5), vorzugsweise alle inneren Magnetelemente (5), sich an den beiden Endplatten (16a, 16b) und/oder an den beiden in Umfangsrichtung (U) benachbarten Verbindungselementen (14) abstützt.
Magnetische Kupplung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Umfangsrichtung benachbarte Verbindungsstäbe (9, 15) und die beiden Endplatten (7a, 7b, 16a, 16b) eine Durchgangsöffnung (10) einfassen, in welcher ein äußeres bzw. inneres Magnetelement (4, 5) angeordnet ist.
Magnetische Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (10) durch das innere bzw. äußere Magnetelement (4, 5) verschlossen ist.
Magnetische Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die äußeren Magnetelemente (4) als Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung (U) alternierender magnetischer Polarisation (N, S) ausgebildet sind, und/oder dass – die inneren Magnetelemente (5) als Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung alternierender magnetischer Polarisation (N, S) ausgebildet sind.
Magnetische Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Außenrotor (2) radial außerhalb der äußeren Magnetelemente (4) einen äußere Basiskörper (11), vorzugsweise aus einem Metall, aufweist, auf welchem die äußeren Magnetelemente (4) drehfest zum äußeren Basiskörper (11) angeordnet sind, – der Innenrotor (3) radial innerhalb der inneren Magnetelemente (5) einen inneren Basiskörper (13), vorzugsweise aus einem Metall, aufweist, auf welchem die inneren Magnetelemente (5) drehfest zum inneren Basiskörper (13) angeordnet sind.
Magnetische Kupplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Basiskörper (13) als Zylinder und/oder der äußere Basiskörper (11) als Hohlzylinder ausgebildet ist.
Magnetische Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die magnetische Kupplung (1) als magnetisches Getriebe ausgebildet ist, – an einer feststehend zum Außen- und Innenrotor (2, 3) ausgebildeten Gehäusewand eine Mehrzahl von Polstäben aus einem magnetischen oder magnetisierbaren oder ferromagnetischen Material angeordnet sind, mittels welchen die Drehzahl des Außenrotors oder des Innenrotors ins Langsame übersetzt ist.
Abwärmenutzungseinrichtung (20), insbesondere für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, – mit einer von einem mittels der Abwärme erhitzbaren Fluid angetriebenen Turbine (21), die in einem gegen Fluidverlust durch eine hermetisch dichte Abtrennung (23) abgesperrten Bereich angeordnet und abtriebsseitig berührungsfrei mit einer zur Nutzung der Turbinenarbeit vorgesehenen Einrichtung (24) außerhalb der Abtrennung (23) antriebsgekoppelt ist, – wobei als Anordnung zur Antriebskopplung eine magnetische Kupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit innerhalb der Abtrennung angeordnetem Innenrotor (3) und außerhalb der Abtrennung angeordnetem Außenrotor (2) vorgesehen ist.
Abwärmenutzungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenrotor (2) vom Innenrotor (3) durch eine Dichtkappe (27) mit zu den beiden Rotoren (2, 3) konzentrischer Zwischenwand (28) getrennt ist, welche einen Teil der hermetischen Abtrennung (23) ausbildet.
Kraftfahrzeug mit einer Abwärmenutzungseinrichtung (20) nach Anspruch 14 oder 15 und/oder mit einer magnetischen Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.