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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 sollte 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.
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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. Besagte Isolierung erfolgt typischerweise mittels einer zwischen den beiden Rotoren angeordneten Trennwand, die zwischen den beiden Rotoren angeordnet und Teil eines Gehäuses der magnetischen Kupplung oder eines Gehäuses der die magnetischen Kupplung verwendenden Abwärmenutzungseinrichtung sein kann. Die Drehmomentübertragung zwischen den beiden Rotoren durch die Trennwand hindurch erfolgt durch magnetische Kopplung der an den beiden Rotoren vorgesehenen magnetischen Elemente.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer magnetischen Kupplung zu schaffen, die sich insbesondere durch einen geringen Bauraumbedarf in ihrer axialen Richtung auszeichnet, ohne dass damit eine Minderung der Steifigkeit einherginge.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, magnetische Polstäbe, die an einer Trennwand der magnetischen Kupplung zur Ausbildung der magnetischen Kupplung als magnetisches Getriebe angeordnet sind, auch dazu heranzuziehen, besagte Trennwand zwischen zwei Gehäuseteile des Gehäuses zu klemmen. Auf diese Weise kann auch eine dünnwandig ausgebildete Trennwand aus einem „weichen“ Material, etwa einem Kunststoff, mechanisch stabil am Gehäuse befestigt werden. Die magnetischen Polstäbe aus einem magnetischen Material dienen dabei nicht nur zur Modulation des vom antriebsseitigen Rotor erzeugten magnetischen Feldes, sondern zusätzlich auch zur Aussteifung der Trennwand. Auf zusätzliche Maßnahmen zur Aussteifung der Trennwand kann bei der hier vorgeschlagenen, erfindungsgemäßen magnetischen Kupplung daher verzichtet werden. Dies führt zu einem vereinfachten Aufbau der magnetischen Kupplung und folglich zu reduzierten Herstellungskosten.
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Eine erfindungsgemäße magnetische Kupplung, insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, umfasst einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor, welche entlang einer Drehachse unabhängig voneinander drehverstellbar sind. Der erste Rotor ist magnetisch, vorzugsweise entlang der axialen Richtung, mit dem zweiten Rotor gekoppelt. Die magnetische Kupplung umfasst ferner ein Gehäuse, welches einen Gehäuseinnenraum wenigstens teilweise begrenzt und ein erstes und ein zweites Gehäuseteil umfasst. Bevorzugt sind die beiden Rotoren drehbar am Gehäuse gelagert. In der axialen Richtung ist zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor eine Trennwand angeordnet, welche den Gehäuseinnenraum in einen ersten und einen zweiten Teilraum unterteilt. Zur Ausbildung der magnetischen Kupplung als magnetisches Getriebe ist an der Trennwand eine Mehrzahl von Polstäben angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Trennwand im Bereich der Polstäbe zwischen die beiden Gehäuseteile geklemmt.
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Bevorzugt ist die magnetische Kupplung als magnetisches Getriebe, insbesondere als Reluktanzgetriebe, ausgebildet, welches eine Drehzahl des ersten Rotors ins Langsame übersetzt. Dies ermöglicht die Verwendung des magnetischen Getriebes als Teil einer Hochdrehzahl-Turbine einer Abwärmenutzungseinrichtung.
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Zweckmäßig sind die Polstäbe wenigstens teilweise in Ausnehmungen aufgenommen, die auf der Stirnseite der Trennwand ausgebildet sind. Diese Maßnahme sorgt für eine dauerhaft stabile Fixierung der Polstäbe an der Trennwand.
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Zur Ausbildung einer besonders stabilen Klemmverbindung empfiehlt es sich, die Trennwand mit den Polstäben derart auszubilden, dass eine dem ersten oder zweiten Gehäuseteil zugewandte Stirnseite der Polstäbe, vorzugsweise flächig, an einer den Polstäben zugewandten Stirnseite des ersten oder zweiten Gehäuseteils anliegt.
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Besonders bevorzugt ist die Trennwand als runde, vorzugsweise als kreisrunde, Trennscheibe ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Trennwand in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse dieselbe Geometrie aufweist wie die beiden Rotoren der magnetischen Kupplung, wodurch der benötigte Bauraum bei der Montage der magnetischen Kupplung gering gehalten werden kann.
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Zweckmäßig können die Polstäbe in der Draufsicht auf die Stirnseite der Trennwand längsförmig ausgebildet sein. „Längsförmig“ bedeutet, dass in der Draufsicht auf die Stirnseite eine Länge der Polstäbe größer ist als eine Breite der Polstäbe. Bei dieser Variante erstrecken sich die beiden einander gegenüberliegenden Längsseiten eines jeweiligen Polstabs von der Drehachse weg in der radialen Richtung nach außen.
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Der auf der Trennwand zur Verfügung stehende Bauraum kann für die Anbringung von Polstäben besonders effektiv genutzt werden, wenn sich die einzelnen Polstäbe in einer Draufsicht auf die Stirnseite der Trennwand in der radialen Richtung nach innen, also zur Drehachse hin, insbesondere konisch, verjüngen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Polstäbe radial außen und im Abstand zur Drehachse auf der Stirnseite der Trennwand angeordnet. Dies erlaubt die Anbringung einer besonders großen Anzahl an Polstäben auf der Trennwand.
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Mit hoher mechanischer Stabilität lassen sich die Polstäbe an der Trennwand fixieren, wenn diese wenigstens teilweise in auf der Stirnseite der Trennwand ausgebildeten Ausnehmungen aufgenommen sind. Eine besonders stabile Anbringung der Polstäbe an der Trennwand wird dabei erreicht, wenn die Ausnehmungen jeweils komplementär zu den einzelnen Polstäben ausgebildet sind.
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Besonders bevorzugt sind die Polstäbe entlang einer Umfangsrichtung der Rotoren im Abstand zueinander, vorzugsweise äquidistant, auf der Stirnseite der Trennwand angeordnet. Auf diese Weise werden die die Polstäbe durchsetzenden Magnetfelder in besonders homogener Weise moduliert.
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Besonders bevorzugt sind die Polstäbe mittels eines sich in Umfangsrichtung der Rotoren erstreckenden, ringförmigen Bundes integral aneinander ausgeformt. Dies erleichtert in nicht unerheblichem Maße die Montage der Polstäbe auf der Trennwand.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist der ringförmige Bund radial außen auf der Stirnseite der Trennwand angeordnet. Diese Maßnahme erleichtert den Zusammenbau von Gehäuse und Trennwand.
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Besonders präzise lassen sich die Polstäbe mit dem Bund auf der Stirnseite der Trennwand positionieren, wenn Trennwand und ringförmiger Bund derart ausgebildet werden, dass nach erfolgter Montage der Polstäbe an der Trennwand eine Außenumfangsseite des Bundes bündig mit der Außenumfangsseite der Trennwand abschließt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der ringförmige Bund zur Ausbildung der Klemmverbindung an der der Trennwand zugewandten Stirnseite des ersten oder zweiten Gehäuseteils an. Auf diese Weise lässt sich eine verbesserte vom ersten bzw. zweiten Gehäuseteil auf die Trennwand wirkende Klemmwirkung erzielen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besitzt der erste Rotor wenigstens einen erstes Magnetelement. Der zweite Rotor besitzt entsprechend wenigstens ein zweites Magnetelement. Die ersten und zweiten Magnetelemente sind dabei an einander zugewandten axialen Stirnseiten der beiden Rotoren angeordnet. Auf diese Weise können die beiden Rotoren magnetisch sehr effektiv aneinander gekoppelt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der erste Rotor mit dem wenigstens einen ersten Magnetelement integral an einem Turbinenrad einer Turbine ausgeformt sein. Mit anderen Worten, bei dieser Variante ist der erste Rotor direkt an dem Turbinenrad angebracht. Ein derart vereinfachter konstruktiver Aufbau von erstem Rotor und Turbinenrad ist mit nicht unerheblichen Kostenvorteilen bei der Fertigung verbunden. Alternativ dazu kann der erste Rotor aber auch lösbar am Turbinenrad befestigbar sein. Dies erleichtert insbesondere den Austausch eines defekten Rotors.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Magnetkupplung wenigstens zwei erste Magnetelemente, vorzugsweise eine Mehrzahl von ersten Magnetelementen. Diese sind entlang der Umfangsrichtung des ersten Rotors benachbart zueinander angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann die Magnetkupplung wenigstens zwei zweite Magnetelemente, vorzugsweise eine Mehrzahl von zweiten Magnetelementen, umfassen, welche ebenfalls entlang der Umfangsrichtung des zweiten Rotors benachbart zueinander angeordnet sind. Die Anzahl der ersten und zweiten Magnetelemente kann auf diese Weise anwendungsspezifisch festgelegt werden, was sich als besonders vorteilhaft erweist, wenn die Magnetkupplung als magnetisches Getriebe realisiert werden soll.
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Besonders zweckmäßig kann das wenigstens eine erste Magnetelement und/oder das wenigstens eine zweite Magnetelement als Permanentmagnet ausgebildet sein, das eine magnetische Polarisationsrichtung entlang der axialen Richtung aufweist. Derart ausgebildete Magnetelemente sind kommerziell kostengünstig und in großen Mengen verfügbar, was sich vorteilhaft auf die Fertigungskosten der magnetischen Kupplung auswirkt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der erste Rotor ein drehfest mit dem Turbinenrad verbundenes erstes Basisteil aufweisen. An diesem Basisteil ist an einer dem zweiten Rotor zugewandten Stirnseite eine erste Aufnahme vorhanden, in welcher das wenigstens eine erste Magnetelement aufgenommen ist. Eine solche Aufnahme erleichtert die Montage des wenigstens einen ersten Magnetelements. Dies gilt insbesondere, wenn eine Mehrzahl von ersten Magnetelementen vorhanden ist. In analoger Weise kann daher alternativ oder zusätzlich zum ersten Rotor auch der zweite Rotor ein zweites Basisteil aufweisen, an welchem an einer dem ersten Rotor zugewandten Stirnseite eine zweite Aufnahme vorhanden ist. In dieser zweiten Aufnahme ist das wenigstens eine zweite Magnetelement aufgenommen.
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Zur stabilen Aufnahme der Magnetelemente in der ersten Aufnahme erweist es sich als vorteilhaft, wenn die erste Aufnahme als ein axial vom ersten Basisteil zum zweiten Rotor hin abstehender erster Aufnahme-Kragen ausgebildet ist. In diesen ersten Aufnahme-Kragen ist das wenigstens eine erste Magnetelement eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich kann auch die zweite Aufnahme als ein axial vom zweiten Basisteil zum ersten Rotor hin abstehender zweiter Aufnahme-Kragen ausgebildet sein. In die zweite Aufnahme ist das wenigstens eine zweite Magnetelement eingesetzt.
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Besonders bevorzugt ist der erste Rotor relativ zum zweiten Rotor in der axialen Richtung verstellbar ausgebildet oder umgekehrt. Auf diese Weise kann die Stärke der magnetischen Wechselwirkung zwischen den beiden Rotoren variiert und eingestellt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen magnetischen Kupplung entlang einer Drehachse ihrer beider Rotoren,
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2 die Trennwand der magnetischen Kupplung der 1 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II der 1.
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3 eine Variante der Trennwand der 2.
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1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen magnetischen Kupplung 1 in einem Längsschnitt. Die magnetische Kupplung 1 umfasst einen ersten Rotor 2 und einen zweiten Rotor 3, die um eine gemeinsame Drehachse D drehverstellbar sind. Die Drehverstellbarkeit der beiden Rotoren 2, 3 ist in 1 durch zwei mit den Bezugszeichen 27, 28 bezeichneten Pfeilen angedeutet. Durch die Drehachse D der Rotoren 2, 3 wird eine axiale Richtung A definiert. Der erste Rotor 2 ist in der axialen Richtung A magnetisch mit dem zweiten Rotor 3 gekoppelt. Hierzu weist der erste Rotor 2 eine erste Mehrzahl n1 von ersten Magnetelementen 4 auf.
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Der zweite Rotor 3 weist entsprechend eine zweite Mehrzahl n2 von zweiten Magnetelementen 5 auf. Die ersten und zweiten Magnetelemente 4, 5 sind an einander zugewandten Stirnseiten 13, 14 der beiden Rotoren 4, 5 angeordnet. Entsprechend 1 ist der erste Rotor 2 integral an einem Turbinenrad 23 ausgeformt, welches mehrere Laufschaufeln 24 aufweisen kann. Das Turbinenrad 23 kann Teil einer in den Figuren nicht näher dargestellten Turbine einer Abwärmenutzungseinrichtung sein.
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Die magnetische Kupplung 1 umfasst ferner ein Gehäuse 7, welches einen Gehäuseinnenraum 8 begrenzt. Das Gehäuse 7 umfasst ein erstes Gehäuseteil 9 und ein zweites Gehäuseteil 10. Entlang der axialen Richtung A ist zwischen dem ersten Rotor 2 und dem zweiten Rotor 3 eine Trennwand 6 angeordnet. Die Trennwand 6 unterteilt den Gehäuseinnenraum 8 in einen ersten Teilraum 11 und einen zweiten Teilraum 12, welche fluidisch voneinander isoliert sind. Die Trennwand 6 erstreckt sich dabei vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Drehachse D. Zur Fixierung am Gehäuse 7 ist die Trennwand 6 ist zwischen die beiden Gehäuseteile 9, 10 geklemmt. Bevorzugt ist die Trennwand 6 als runde Trennscheibe ausgebildet, besonders bevorzugt als kreisrunde Trennscheibe.
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Wie 1 erkennen lässt, ist auf einer dem zweiten Rotor 3 zugewandten ersten Stirnseite 16 der Trennwand 6 eine Mehrzahl von Polstäben 15 angeordnet. Mittels der Polstäbe 15 wirkt die magnetische Kupplung 1 im Zusammenspiel mit den Magnetelementen 4, 5 der beiden Rotoren als magnetisches Getriebe, wie im Folgenden genauer erläutert werden soll.
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Die 2 zeigt die Trennwand 6 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II der 1. Wie 2 erkennen lässt, sind an der Trennwand 6 entlang der Umfangsrichtung U der Rotoren 2, 3 exemplarisch n = 12 Polstäbe 15 angeordnet. Der erste Rotor 2 besitzt sechs erste Magnetelemente 4, welche drei erste Polpaare ausbilden (in den Figuren nicht gezeigt). Die Zahl der ersten Polpaare wird nachfolgend als p1 bezeichnet, d.h. im Beispielszenario beträgt p1 = 3. Am zweiten Rotor 3 sind achtzehn zweite Magnetelemente 5 vorhanden (in den Figuren nicht gezeigt), welche neun zweite Polpaare ausbilden. Die Zahl der zweiten Polpaare wird nachfolgend mit p2 bezeichnet, d.h. im Beispielszenario 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.
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Wenn nun der erste Rotor 2 mit den ersten Magnetelementen 4 in Umfangsrichtung U gedreht wird, werden die von ersten Magnetelementen 4 erzeugten Magnetfelder durch die Polstäbe 15 auf der feststehenden Trennwand 6 durchsetzt, mit der Folge, dass der zweite Rotor 3 mit den zweiten Magnetelementen 5 entgegen der Umfangsrichtung U dreht. Dabei wird die Drehzahl des ersten Rotors 2 entsprechend dem Verhältnis p1:p2 ins Langsame übersetzt.
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Betrachtet man nun wieder die 1, so erkennt man, dass die Trennwand 6 im Bereich der Polstäbe 15 zwischen die beiden Gehäuseteile 9, 10 geklemmt ist. Die beiden Gehäuseteile 9, 10 können mittels einer Schraubverbindung aneinander befestigt sein. In einer Variante können die Polstäbe 15 auch auf einer dem ersten Rotor 2 zugewandten zweiten Stirnseite 17 der Trennwand 6 angeordnet sein (in 1 nicht dargestellt).
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Entsprechend 2 können die Polstäbe 15 wenigstens teilweise in mehreren auf der ersten Stirnseite 16 der Trennwand 6 angeordneten und komplementär zu den Polstäben ausgebildeten Ausnehmungen 18 aufgenommen sein. Wie die 1 und 2 weiter erkennen lassen, sind die Polstäbe 15 radial außen und im Abstand zur Drehachse D auf der ersten Stirnseite 16 der Trennwand 6 angeordnet. Die Polstäbe 15 sind dabei entlang einer Umfangsrichtung U der Rotoren 2, 3 im Abstand und äquidistant zueinander auf der ersten Stirnseite 16 der Trennwand 6 angeordnet. Zur Ausbildung der Klemmverbindung (vgl. 1) liegt eine dem ersten oder zweiten Gehäuseteil 9, 10 zugewandte Stirnseite 19 der Polstäbe 15 flächig am ersten bzw. zweiten Gehäuseteil 9, 10 an. Wie die 1 und 2 anschaulich belegen, können sich die einzelnen Polstäbe 15 in einer Draufsicht auf die erste Stirnseite 16 der Trennwand 6 in einer radialen Richtung R der Rotoren 2, 3, die senkrecht zur axialen Richtung A verläuft, nach innen, zur Drehachse D hin, konisch verjüngen. Die Polstäbe 15 sind in der Draufsicht auf die Stirnseite 16 der Trennwand 6 längsförmig ausgebildet. Die beiden einander gegenüberliegenden Längsseiten 25a, 25b eines jeweiligen Polstabs 15 erstrecken sich von der Drehachse D weg in der radialen Richtung R nach außen.
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Die 3 zeigt eine Variante des Beispiels der 2. Bei dieser Variante sind die Polstäbe 15 integral aneinander ausgeformt. Dies erlaubt eine vereinfachte Montage der Polstäbe 15 auf der Trennwand 6. Die Polstäbe 15 gehen dabei mittels eines gemeinsamen, ringförmigen Bundes 20 ineinander über, der sich entlang der Umfangsrichtung U erstreckt. Wie die Darstellung der 3 belegt, ist der ringförmige Bund 20 radial außen auf der ersten Stirnseite 16 der Trennwand 6 im Abstand zur Drehachse D angeordnet. Eine Außenumfangsseite 21 des Bundes 20 schließt dabei bündig mit einer Außenumfangsseite 22 der Trennwand 6 ab. Der ringförmige Bund 20 liegt zur Ausbildung der Klemmverbindung an der der Trennwand 6 zugewandten jeweiligen Stirnseite des ersten oder zweiten Gehäuseteils 9, 10 an.
