-
Die Erfindung betrifft eine magnetische Kupplung, insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung.
-
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.
-
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.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer magnetischen Kupplung zu schaffen, die sich insbesondere durch einen geringen Bauraumbedarf bei gleichzeitig hoher mechanischer Steifigkeit auszeichnet.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, eine Trennwand, die zur hermetischen Abtrennung der beiden Rotoren einer magnetischen Kupplung voneinander dient, mit Aussteifungselementen zu versehen, um auf diese Weise eine besonders wirksame Aussteifung der Trennwand zu erzielen. Dies erlaubt es, die erfindungsgemäße Trennwand dünnwandiger auszugestalten als herkömmliche Trennwände ohne die erfindungswesentlichen Versteifungselemente. Da die Trennwand in einer magnetischen Kupplung typischerweise in axialer Richtung zwischen den beiden Rotoren angeordnet ist, kann bei Verwendung einer dünnwandigen Trennwand der Abstand zwischen den beiden Rotoren sehr gering gehalten werden. Da die beiden Rotoren in axialer Richtung magnetisch gekoppelt sind, erlaubt eine Anordnung der beiden Rotoren in geringem Abstand eine hohen magnetischen Kopplungsgrad. Darüber hinaus kann ein unerwünschtes „Durchbiegen“ der Trennwand aufgrund der typischerweise sehr hohen Druckdifferenz des auf die beiden Seiten der Trennwand wirkenden Fluiddrucks vermieden werden.
-
Eine erfindungsgemäße magnetische Kupplung umfasst einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor, welche um eine gemeinsame Drehachse drehbar sind. Durch die Lage der Drehachse wird eine axiale Richtung definiert. Der erste Rotor ist dabei magnetisch mit dem zweiten Rotor gekoppelt. Hierzu können am ersten und am zweiten Rotor jeweils mehrere Magnetelemente angeordnet sein. Bevorzugt erfolgt die magnetische Kopplung in der axialen Richtung der Rotoren. Entlang der axialen Richtung ist zwischen den beiden Rotoren auch eine Trennwand angeordnet. Erfindungsgemäß ist auf einer dem ersten Rotor zugewandten Stirnseite und/oder auf einer dem zweiten Rotor zugewandten Stirnseite der Trennwand eine Mehrzahl von Versteifungselementen zur Aussteifung der Trennwand angeordnet.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an der Trennwand zur Ausbildung eines magnetischen Getriebes eine Mehrzahl von magnetischen Polstäben, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material oder aus Permanentmagneten, angeordnet. Bei geeigneter Dimensionierung der Anzahl der Polstäbe relativ zur Anzahl der Magnetelemente der beiden Rotoren bewirken die Polstäbe eine Modulation des vom antriebsseitigen Rotor erzeugten magnetischen Wechselfelds derart, dass das auf den abtriebsseitigen Rotor wirkende magnetische Wechselfeld für eine Rotation des zweiten Rotors mit einer Drehfrequenz sorgt, die kleiner ist als jene des antriebsseitigen Rotors. Somit folgt die Magnetkupplung dem Wirkprinzip eines magnetischen Getriebes.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Trennwand als runde, vorzugsweise als kreisrunde, Trennscheibe ausgebildet. Mit einer solchen Bauweise in Scheibenform geht ein besonders geringer Bedarf an Bauraum in radialer Richtung der magnetischen Kupplung einher.
-
Besonders zweckmäßig sind die Versteifungselemente entlang der Umfangsrichtung der Rotoren im Abstand zueinander angeordnet. Die Anordnung der Versteifungselemente erfolgt dabei derart, dass zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Versteifungselementen jeweils eine Ausnehmung ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Dicke der Trennwand in der axialen Richtung besonders gering gehalten werden.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Versteifungselemente längsförmig ausgebildet und erstrecken sich entlang der radialen Richtung der Rotoren. Auf diese Weise kann der auf der Stirnseite der Trennwand für die Versteifungselemente benötigte Bauraum klein gehalten werden, so dass dieser zur Anbringung von magnetischen Polstäben zur Verfügung steht.
-
Besonders bevorzugt sind die Versteifungselemente in einer Draufsicht auf die Trennwand entlang der axialen Richtung sternförmig angeordnet und erstrecken sich jeweils radial von der Drehachse weg. Durch eine solche Ausrichtung der längsförmigen Versteifungselemente entlang der radialen Richtung kann der Ausbildung unerwünschter elektrischer Induktionsströme in den Versteifungselementen entgegengewirkt werden.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist in einem radial inneren Abschnitt der Trennwand eine Mehrzahl von inneren Versteifungselementen angeordnet. In analoger Weise ist in einem radial äußeren Abschnitt eine Mehrzahl von äußeren Versteifungselementen angeordnet. Auch eine solche Konfiguration mit einer Aufteilung der Versteifungselemente in radial innere und radial äußere Versteifungselemente wirkt der Ausbildung von unerwünschten elektrischen Induktionsströmen entgegen. Darüber hinaus steht der radiale Bereich der Trennwand zwischen den inneren und äußeren Versteifungselementen zur Anbringung von magnetischen Polstäben zur Verfügung.
-
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist in der radialen Richtung zwischen dem radial inneren Abschnitt und dem radial äußeren Abschnitt ein radialer Mittelabschnitt ausgebildet, in welchem die Polstäbe vorgesehen sind. Eine solche Konfiguration erlaubt eine platzsparende Anordnung der Polstäbe an der Trennwand, ohne dass bei der magnetischen Kupplung eine Minderung ihrer Entfaltung als magnetisches Getriebe einherginge.
-
Besonders zweckmäßig ist für jedes vorhandene innere Versteifungselement ein diesem inneren Versteifungselement zugeordnetes äußeres Versteifungselement vorgesehen. Das äußere Versteifungselement ist in der radialen Richtung im Abstand zum inneren Versteifungselement angeordnet. Eine solche, homogene Anordnung der inneren und äußeren Versteifungselemente auf der Trennwand sorgt für eine besonders wirksame Aussteifung der Trennwand.
-
Mit besonders geringem Montageaufwand ist eine weitere bevorzuge Ausführungsform verbunden, bei welcher die inneren Versteifungselemente integral aneinander ausgeformt sind.
-
Besonders zweckmäßig kann die Trennwand mit den Versteifungselementen eine entlang der axialen Richtung gemessene Dicke zwischen 1 mm und 2 mm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Trennwand in einem Bereich, in welchem keine Versteifungselemente vorgesehen sind, eine entlang der axialen Richtung gemessene Dicke von höchstens 0,8 mm, aufweisen. Besonders bevorzugt ist eine Dicke von höchstens 0,5 mm. Beide Maßnahmen, insbesondere in Kombination, führen für die Trennwand zu einem besonders geringen Bauraumbedarf in axialer Richtung, ohne dass damit eine nicht akzeptable Minderung der Steifigkeit der Trennwand einherginge.
-
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform mit besonders geringem Bedarf an Bauraum sind die beiden Rotoren in einem Gehäuseinnenraum angeordnet, der von einem Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil begrenzt ist. Bei dieser Variante ist die Trennwand im Bereich der Versteifungselemente, vorzugsweise im Bereich der äußeren Versteifungselemente, zwischen die beiden Gehäuseteile geklemmt.
-
Besonders bevorzugt ist die Trennwand als Spritzgussteil, vorzugsweise als Kunststoff-Spritzgussteil, ausgebildet. Dies führt zu erheblichen Kostenvorteilen bei der Herstellung. Denkbar ist es in diesem Zusammenhang, die Trennwand als Teil eines Gehäuses, in welchem die magnetische Kupplung teilweise oder vollständig angeordnet ist, auszubilden. In diesem Fall bietet es sich an, das Gehäuse mit der Trennwand ebenfalls als Spritzgussteil, vorzugsweise als Kunststoff-Spritzgussteil, zu realisieren.
-
Besonders bevorzugt bestehen die Versteifungselemente aus einem Material, welches keine ferromagnetischen Eigenschaften aufweist. Bevorzugt kommt für das Material der Versteifungselemente daher ein geeigneter Stahl, besonders bevorzugt ein geeigneter Edelstahl, in Betracht. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass durch die Versteifungselemente keine magnetischen Felder erzeugt werden, welche die Funktionsweise der magnetischen Kupplung, insbesondere wenn diese als magnetische Kupplung arbeiten soll, beeinträchtigen würden.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die magnetische Kupplung als magnetisches Getriebe, insbesondere als Reluktanzgetriebe, ausgebildet, welches eine Drehzahl des ersten Rotors ins Langsame übersetzt. Eine Ausbildung der magnetischen Kupplung als magnetisches Getriebe erfolgt durch entsprechende Festlegung der Anzahl von an der Trennwand vorgesehenen Polstäben relativ zur Anzahl der an den beiden Rotoren vorhandenen Magnetelemente.
-
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 magnetischen Kupplung in einem Längsschnitt entlang der gemeinsamen Drehachse ihrer beiden Rotoren,
-
2 eine zwischen den Rotoren der magnetischen Kupplung angeordnete Trennwand in einer Draufsicht in Richtung der Drehachse der Rotoren.
-
1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen magnetischen Kupplung 1 für eine Abwärmenutzungseinrichtung. Die magnetische Kupplung 1 ist als magnetisches Getriebe realisiert, welches die Drehzahl eines ersten Rotors 2 der magnetischen Kupplung 1 ins Langsame übersetzt, so dass eine Drehzahl eines zweiten Rotors 3 der magnetischen Kupplung 1 kleiner ist als jene des ersten Rotors 2. Der erste Rotor 2 ist integral an einem Turbinenrad 15 ausgeformt, welches mehrere Laufschaufeln 16 aufweisen kann. Das Turbinenrad 15 kann Teil der in den Figuren nicht näher dargestellten Abwärmenutzungseinrichtung sein. In diesem Fall ist die magnetische Kupplung 1 Teil einer Turbine besagter Abwärmenutzungseinrichtung. Der erste Rotor 2 fungiert dabei als antriebsseitiger Rotor, der zweite Rotor 3 hingegen als abtriebsseitiger Rotor.
-
Der erste Rotor 2 ist in einer axialen Richtung A, welche sich entlang einer Drehachse D der beiden Rotoren 2, 3 erstreckt, magnetisch mit dem zweiten Rotor 3 gekoppelt. Hierzu besitzt 1 besitzt der erste Rotor 2 eine Mehrzahl von ersten Magnetelementen 17, die an einem dem zweiten Rotor 3 zugewandten axialen Ende des ersten Rotors 2 an diesem angeordnet sind. In analoger Weise besitzt der zweite Rotor 6 eine Mehrzahl von zweiten Magnetelementen 18, die an einem dem ersten Rotor 2 zugewandten axialen Ende des zweiten Rotors 3 an diesem angeordnet sind. Die ersten Magnetelemente 17 und die zweiten Magnetelemente 18 sind jeweils als Permanentmagnete ausgebildet, die eine magnetische Polarisationsrichtung entlang der axialen Richtung A aufweisen können.
-
Der erste Rotor 2 und der zweite Rotor 3 sind um die gemeinsame Drehachse D drehbar. Der erste Rotor 2 ist entlang der axialen Richtung A magnetisch mit dem zweiten Rotor 3 gekoppelt. Wie 1 erkennen lässt, ist in der axialen Richtung A zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor 2, 3 eine Trennwand 4 angeordnet, an welcher eine Mehrzahl von magnetischen Polstäben 5 vorgesehen ist. Die beiden Rotoren 2, 3 sind in einem Gehäuseinnenraum 23 angeordnet, der wenigstens teilweise von einem Gehäuse 20 mit einem ersten Gehäuseteil 21 und einem zweiten Gehäuseteil 22 begrenzt ist. Die Trennwand 4 dient dazu, die beiden Rotoren 2, 3 hermetisch voneinander zu isolieren, wie dies in einer Abwärmenutzungseinrichtung typischerweise erforderlich ist. Hierzu unterteilt die Trennwand 4 den Gehäuseinnenraum 23 in einen ersten und einen zweiten Teilraum 24a, 24b und isoliert auf diese Weise die beiden Rotoren 2, 3 hermetisch voneinander. Entsprechend 1 erstreckt sich die Trennwand 4 in einer Ebene senkrecht zur Drehachse D.
-
Wie die 1 weiter erkennen lässt, kann die Trennwand 4 im Bereich der äußeren Versteifungselemente 8b zwischen die beiden Gehäuseteile 21, 22 des Gehäuses 20 geklemmt sein. Die einzelnen Polstäbe 5 sind in 2 dargestellt, welche eine Draufsicht auf eine dem zweiten Rotor 3 zugewandte Stirnseite 6 der Trennwand 5 zeigt. Mit Hilfe der an der Trennwand 4 vorgesehenen Polstäbe 5 kann die magnetische Kupplung als magnetisches Getriebe, insbesondere als Reluktanzgetriebe, wirken, welches eine Drehzahl des ersten Rotors 2 ins Langsame übersetzt.
-
Zur Aussteifung der Trennwand 4 ist gemäß 2 auf der Stirnseite 6 der Trennwand 4 eine Mehrzahl von Versteifungselementen 8 vorgesehen, die zur Aussteifung der Trennwand 4 dienen. Die Versteifungselemente 8 sind im Beispiel der Figuren in innere Versteifungselemente 8a und äußere Versteifungselemente 8b aufgeteilt. Gemäß 2 ist in einem radial inneren Abschnitt 10 der Trennwand 4 eine Mehrzahl von inneren Versteifungselementen 8a angeordnet. Entsprechend ist in einem radial äußeren Abschnitt 11 eine Mehrzahl von äußeren Versteifungselementen 8b angeordnet. Bezüglich der radialen Richtung R der Rotoren 2, 3 ist zwischen dem radial inneren Abschnitt 10 und dem radial äußeren Abschnitt 11 ein radialer Mittelabschnitt 12 vorgesehen, in welchem die Polstäbe 5 angeordnet sind. Der Mittelabschnitt 12 ist dabei frei von Verstärkungselementen 8, 8a, 8b. Der Übergang zwischen dem radial inneren Abschnitt 10 und dem Mittelabschnitt 12 ist in 2 durch eine gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 13 angedeutet. Der Übergang zwischen dem Mittelabschnitt 12 und dem radial äußeren Abschnitt 11 ist in 2 durch eine gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 14 angedeutet.
-
Wie 2 erkennen lässt, kann die Trennwand 4 als runde, vorzugsweise als kreisrunde, Trennscheibe 7 ausgebildet sein. Die Versteifungselemente 8 sind entlang der Umfangsrichtung U der Rotoren 2, 3 im Abstand zueinander angeordnet, so dass zwischen zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Versteifungselementen 8 jeweils eine Ausnehmung 9 mit reduzierter Dicke der Trennwand in axialer Richtung A ausgebildet ist. Die Versteifungselemente 8 sind längsförmig, vorzugsweise in der Art von Streben oder Stäben, ausgebildet und ersteckten sich jeweils entlang einer radialen Richtung R der beiden Rotoren 2, 3, die quer zur axialen Richtung A verläuft.
-
Die Versteifungselemente 8 sind in der in 2 gezeigten Draufsicht auf die Trennwand 4 entlang der axialen Richtung A sternförmig angeordnet und erstrecken sich jeweils radial von der Drehachse D weg. Dies gilt sowohl für die inneren Versteifungselemente 8a als auch für die äußeren Versteifungselemente 8b. Bevorzugt sind die inneren Versteifungselemente 8a integral aneinander ausgeformt. Für jedes innere Versteifungselement 8a ist also ein äußeres Versteifungselement 8b vorgesehen, welches in der radialen Richtung R im Abstand zu dem ihm zugeordneten inneren Versteifungselement 8a angeordnet ist. Dies bedeutet, dass dieselbe Anzahl an inneren und äußeren Versteifungselementen 8a, 8b vorhanden ist. Sowohl die Versteifungselemente 8, 8a, 8b als auch die Polstäbe 5 können entlang der Umfangsrichtung U der Trennwand 4 äquidistant im Abstand zueinander angeordnet sein.
-
Betrachtet man nun wieder die 1, so erkennt man, dass die Trennwand 4 mit den Versteifungselementen 8 eine entlang der axialen Richtung A gemessene Dicke d1 zwischen 1 mm und 2 mm aufweist. In einem Bereich, in welchem keine Versteifungselement 8 vorgesehen sind, also insbesondere im Bereich der Ausnehmungen 9, beträgt eine entlang der axialen Richtung A gemessene Dicke d2 der Trennwand 4 höchstens 0,8 mm. Bevorzugt beträgt die Dicke d2 höchstens 0,5 mm.
-
Die Trennwand 4 kann als Spritzgussteil ausgebildet sein. Sowohl die inneren Versteifungselemente 8a als auch die äußeren Versteifungselemente 8b bestehen vorzugsweise aus einem Material, welches keine ferromagnetischen Eigenschaften aufweist. Besonders bevorzugt handelt es sich bei diesem Material um einen geeigneten Stahl, höchst vorzugsweise um Edelstahl.
