-
Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges, insbesondere zweitstufiges magnetisches Getriebe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Ein magnetisches Getriebe ist bekannt aus der Offenlegungsschrift
DE 44 05 701 A1 . Das bekannte magnetische Getriebe weist drei Getriebeelemente auf, von denen zwei Magnetpolpaare und eines Magnetflusselemente aufweist, die einen magnetischen Fluss zwischen den Magnetpolpaaren der beiden anderen Getriebeelemente leiten. Das die Magnetflusselemente aufweisende Getriebeelement kann auch als Modulator aufgefasst werden. Zwei der drei Getriebeelemente sind drehbar und das dritte Getriebeelement ist drehfest, wobei es grundsätzlich egal ist, welche der Getriebeelemente drehbar sind und welches Getriebeelement drehfest ist. Eines der beiden drehbaren Getriebeelemente wird drehend angetrieben und erzeugt dadurch ein Drehmoment auf die beiden anderen Getriebeelemente, wodurch das andere drehbare Getriebeelement drehend angetrieben wird. Ein Übersetzungsverhältnis ergibt sich aus der Anzahl der Magnetpolpaare und der Magnetflußelmente, wobei sich eine Über- oder Untersetzung ergibt, wenn die beiden Magnetpolpaare aufweisenden Getriebeelemente verschieden viele Magnetpolpaare aufweisen. Weisen die beiden Getriebeelemente gleich viele Magnetpolpaare auf, ist die Übersetzung
1 und das magnetische Getriebe kann als Kupplung aufgefasst werden.
-
Die Offenlegungsschrift
DE 10 2014 119 266 A1 offenbart ein vergleichbares magnetisches Getriebe mit der Besonderheit, dass ein oder zwei der Getriebeelemente eine Verschränkung, das heißt einen Versatz der Magnetpole bzw. der Magnetflusselemente in Umfangsrichtung über eine axiale Erstreckung des Getriebeelements aufweisen. Dadurch werden eine Drehmomentwelligkeit bei einer Momentenübertragung und ein übertragbares Drehmoment verringert.
-
Die Offenlegungsschrift
DE 196 47 469 A1 offenbart ein zweistufiges magnetisches Planetengetriebe.
-
Aufgabe der Erfindung ist ein magnetisches Getriebe vorzuschlagen, das eine große Über- oder Untersetzung von beispielsweise 1:100 ermöglicht, ohne jedoch gleichzeitig übermäßig viele Magnetpolpaare und Magnetflusselemente benötigt. Das magnetische Getriebe sollte möglichst mit nicht mehr als 10, 12, 15 oder 20 Magnetpolpaaren je Getriebelement und mit nicht mehr als 30, 40 oder 50 Magnetflusselementen je Getriebeelement auskommen. Die Zahlenangaben gelten für Getriebedurchmesser bis etwa 90 mm, bei größeren Getrieben können entsprechend mehr Magnetpolpaare und/oder Magnetflusselemente vorhanden sein. Grundsätzlich ist die Anzahl der Magnetpolpaare und der Magnetflusselemente allerdings nicht beschränkt.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein mehrstufiges, insbesondere zweistufiges magnetisches Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist jede Getriebestufe wie ein (einstufiges) magnetisches Getriebe aufgebaut, d. h. jede Getriebestufe weist drei relativ zueinander drehbare Getriebeelemente auf, von denen zwei Magnetpolpaare und eines Magnetflusselemente aufweist, die einen magnetischen Fluss zwischen den Magnetpolpaaren der beiden anderen Getriebeelemente leiten. Ein Getriebeelement einer Getriebestufe ist drehfest, wobei grundsätzlich egal ist, welche Getriebeelemente drehbar sind und welches Getriebeelement drehfest ist. Die beiden anderen, also die drehbaren Getriebeelemente der einen Getriebestufe sind mit zwei Getriebeelementen einer anderen Getriebestufe gekoppelt, bei der alle drei Getriebeelemente drehbar sind. Durch die Kopplung von jeweils zwei drehbaren Getriebeelementen der beiden Getriebestufen sind die Getriebestufen hintereinander geschaltet. Ein Gesamt-Übersetzungsverhältnis des erfindungsgemäßen, magnetischen Getriebes ist bei zwei Getriebestufen der Quotient der Differenz der Übersetzung der zweiten Getriebestufe und des Produkts der Übersetzungen der beiden Getriebestufen und der Differenz der Übersetzungen der beiden Getriebestufen ((i2 – i2·i1)/(i2 – i1) wobei i1 die Übersetzung der ersten und i2 die Übersetzung der zweiten Getriebestufe ist). Wählt man näherungsweise gleiche Übersetzungsverhältnisse der beiden Getriebestufen, ergibt die kleine Differenz zwischen den Übersetzungen als Divisor des Gesamt-Übersetzungsverhältnis ein großes Gesamt-Übersetzungsverhältnis.
-
Vorzugsweise sind alle drei Getriebeelemente der anderen Getriebestufe drehbar.
-
Bei mehr als zwei Getriebestufen ist eines der Getriebeelemente einer ersten Getriebestufe drehfest. In allen anderen Getriebestufen sind alle drei Getriebelemente drehbar und es sind immer zwei Getriebeelemente einer vorangehenden Getriebestufe mit zwei Getriebelementen einer nachfolgenden Getriebestufe gekoppelt. Welche beiden Getriebelemente gekoppelt sind, wechselt von Getriebestufe zu Getriebestufe.
-
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Getriebeelemente der Getriebestufen gleichachsig und vorzugsweise auch die Getriebestufen gleichachsig. Es sind beispielsweise zwei Getriebeelemente zylinderrohrförmig und koaxial ineinander und koaxial um das dritte Getriebeelement angeordnet, das zylindrisch, auch zylinderrohrförmig, ist. Eine andere Möglichkeit ist eine gleichachsige Anordnung der Getriebeelemente hinter bzw. nebeneinander, so dass Stirnflächen der Getriebeelemente einander zugewandt sind. Auch Mischformeln, beispielsweise kegelförmige Getriebeelemente, sind möglich.
-
Die Kopplung der Getriebeelemente verschiedener Getriebestufen ist vorzugsweise drehfest und mechanisch, wobei andere, beispielsweise magnetische-, pneumatische- oder hydraulische Kopplungen und/oder nicht drehfeste Kopplungen beispielsweise mit zahnrad- oder sonstigen mechanischen- oder nicht-mechanischen Getrieben nicht ausgeschlossen sind. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht unterschiedlich viele Magnetpolpaare der Getriebeelemente einer Getriebestufe und unterschiedliche Übersetzungen der beiden Getriebestufen vor. Die andere Getriebestufe kann ein Übersetzungsverhältnis von 1 oder ein anderes Übersetzungsverhältnis aufweisen.
-
An sich sind Permanentmagnete für die Getriebeelement mit den Magnetpolpaaren vorgesehen. Möglich sind allerdings auch Elektromagnete bzw. Permanent- und Elektromagnete.
-
Anstelle des drehfesten Getriebeelements kann in Ausgestaltungen der Erfindung eine bzw. eine erste Getriebestufe ein drehend antreibbares Getriebeelement aufweisen.
-
Eine, mehrere oder alle drehbaren Getriebeelemente können auch durch drehfeste Wicklungen ersetzt sein. Solche Wicklungen können nach Art von Statorwicklungen elektrischer Maschinen ausgeführt sein. Insbesondere sind gekoppelte Getriebeelemente paarweise durch Wicklungen ersetzt, die beispielsweise elektrisch oder elektronisch gekoppelt sind.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Achsschnitt eines erfindungsgemäßen magnetischen Getriebes; und
-
2 eine Stirnansicht des magnetischen Getriebes aus 1.
-
Das in der Zeichnung dargestellte, erfindungsgemäße magnetische Getriebe 1 weist zwei Getriebestufen I, II mit grundsätzlich gleichem Aufbau auf, die in diesem Ausführungsbeispiel gleichachsig nebeneinander angeordnet und miteinander gekoppelt sind. Jede Getriebestufe I, II weist drei Getriebeelemente 2 bis 7 auf, nämlich ein inneres Getriebeelement 2, 5, ein mittleres Getriebeelement 3, 6 und ein äußeres Getriebeelement 4, 7, wobei die mittleren Getriebeelemente 3, 6 die inneren Getriebeelemente 2, 5 konzentrisch umschließen und die äußeren Getriebeelemente 4, 7 die mittleren Getriebeelemente 3, 6 und die inneren Getriebeelemente 2, 5 ebenfalls konzentrisch umschließen. Die mittleren Getriebeelemente 3, 6 und die äußeren Getriebeelemente 4, 7 sind kreisring- oder zylinderrohrförmig und die inneren Getriebeelemente 2, 5 sind kreis- oder zylinderförmig, können allerdings auch kreisring- oder zylinderrohrförmig sein. Die Getriebeelemente 2 bis 4, 5 bis 7 jeder Getriebestufe I, II sind in diesem Ausführungsbeispiel in einer Radialebene angeordnet.
-
Die inneren Getriebeelemente 2, 5 weisen eine gerade Anzahl Permanentmagnete 8, 9 auf, die abwechselnd entgegengesetzt orientiert angeordnet sind, so dass sie an ihrem Außenumfang abwechselnd magnetische Nord- und Südpole aufweisen. Die Permanentmagnete 8, 9 der inneren Getriebeelemente 2, 5 der beiden Getriebestufen I, II sind starr auf einer gemeinsamen Welle 10 angeordnet, so dass die beiden inneren Getriebeelemente 2, 5 gekoppelt, nämlich starr und damit drehfest miteinander verbunden sind. Die Welle 10 ist drehbar gelagert, so dass die inneren Getriebeelemente 2, 5 drehbar sind. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete 8, 9 auf magnetisch leitfähiges Material aufgebracht, welches auf der Welle 10 aufgebracht ist.
-
Die mittleren Getriebeelemente 3, 6 weisen eine Anzahl radial angeordneter Magnetflusselemente 13, 14 auf, die einen magnetischen Fluss zwischen Magnetpolen 11, 12 der inneren Getriebeelemente 2 und Magnetpolen 15, 16 von Permanentmagneten 17, 18 der äußeren Getriebeelemente 4, 7 leiten. Die Magnetflusselemente 13, 14 sind auf Kreisen mit Abständen in Umfangsrichtung voneinander angeordnet. Die Magnetflusselemente 13, 14 sind durch einen zylinderrohrförmigen Halter 19 miteinander und mit den Magnetflusselementen 14, 13 der jeweils anderen Getriebestufe II, I verbunden. Der Halter 19 hält nicht nur die Magnetflusselemente 13, 14, sondern er koppelt auch die beiden mittleren Getriebeelemente 3, 6 der beiden Getriebestufen I, II, indem er sie starr verbindet. Die mittleren Getriebeelemente 3, 6 mit den Magnetflusselementen 13, 14, die den magnetischen Fluss zwischen den Magnetpolen 11, 12, 15, 16 der Permanentmagnete 8, 9, 17, 18 der inneren Getriebeelemente 2, 5 und der äußeren Getriebeelemente 4, 7 leiten, können auch als Modulator aufgefasst werden. Außer magnetisch voneinander isolierten Magnetflusselementen 13, 14 sind auch mittlere Getriebeelemente 3, 6 möglich, deren Magnetflusselemente 13, 14 magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Der Halter 19 ist drehbar gelagert, so dass die mittleren Getriebeelemente 3, 6 mit den Magnetflusselementen 13, 14 – durch ihre starre Verbindung – gemeinsam drehbar sind.
-
Die äußeren Getriebeelemente 4, 7 der beiden Getriebestufen I, II weisen an ihren Innenumfängen jeweils eine gerade Anzahl Permanentmagnete 17, 18 auf, die in Umfangsrichtung abwechselnd einander entgegengesetzt orientiert angeordnet sind, so dass sie an ihren Innenumfängen abwechselnd magnetische Nord- und Südpole aufweisen. Die Permanentmagnete 17, 18 der äußeren Getriebeelemente 4, 7 sind an Innenseiten kreisring- oder zylinderrohrförmiger magnetischer Joche 20, 21 angeordnet. Das äußere Getriebeelement 4 einer Getriebestufe I ist drehfest, das äußere Getriebeelement 7 der anderen Getriebestufe II ist drehbar gelagert.
-
Die inneren und die äußeren Getriebeelemente 2, 4, 5, 7 weisen unterschiedlich viele Magnetpolpaare 11, 15, 12, 16 auf, wodurch mindestens eine Getriebestufe I, II ein von eins verschiedenes Über- oder Untersetzungsverhältnis aufweist. Jede der beiden Getriebestufen I, II kann als magnetisches Getriebe aufgefasst werden, wobei die beiden Getriebestufen I, II durch die Kopplung der inneren Getriebeelemente 2, 5 und der mittleren Getriebeelemente 3, 6 gekoppelt, bzw. hintereinander geschaltet sind. Durch einen drehenden Antrieb entweder der mittleren Getriebeelemente 3, 6 oder der inneren Getriebeelemente 2, 5 wird das drehbare, äußere Getriebeelement 7 der anderen Getriebestufe II drehend angetrieben, wobei bei Antrieb über die inneren Getriebeelemente 2, 5 das Übersetzungsverhältnis, das auch als Gesamt-Übersetzungsverhältnis des magnetischen Getriebes 1 aufgefasst werden kann (i2 – i2·i1)/(i2 – i1) ist. Dabei ist i1 das Übersetzungsverhältnis der einen Getriebestufe I und i2 das Übersetzungsverhältnis der anderen Getriebestufe II ist. Durch Wahl ungleicher, allerdings ähnlich großer Übersetzungsverhältnisse der beiden Getriebestufen I, II ergibt sich wegen der kleinen Differenz der beiden Übersetzungsverhältnisse, die den Divisor des Gesamt-Übersetzungsverhältnis bildet, ein großes Gesamt-Übersetzungsverhältnis des magnetischen Getriebes 1. Im Ausführungsbeispiel weist das innere Getriebeelement 2 der einen Getriebestufe I vier Magnetpolpaare 11, das mittlere Getriebeelement 3 27 Magnetflusselemente 13 und das äußere Getriebeelement 4 23 Magnetpolpaare 17 auf, was ein Übersetzungsverhältnis der einen Getriebestufe I von 5,75 ergibt. Das innere Getriebeelement 5 der anderen Getriebestufe II weist im Ausführungsbeispiel drei Magnetpolpaare 12, das mittlere Getriebeelement 6 19 Magnetflusselemente 14 und das äußere Getriebeelement 7 16 Magnetpolpaare 16 auf, was ein Übersetzungsverhältnis der anderen Getriebestufe II von 5,33 ergibt. Das Gesamt-Übersetzungsverhältnis des magnetischen Getriebes 1 beträgt damit ungefähr 87.
-
Es können entweder die inneren Getriebeelemente 2, 5 oder die mittleren Getriebeelemente 3, 6 angetrieben werden. Auch ist es möglich, das äußere Getriebeelement 4 der einen Getriebestufe I drehbar zu lagern und mit dem äußeren Getriebeelement 7 der anderen Getriebestufe II zu koppeln. In diesem Fall wird die Kopplung entweder der mittleren Getriebeelemente 3, 6 oder der inneren Getriebeelemente 2, 5 entfernt und es wird ein anderes, grundsätzlich beliebiges Getriebeelement 2, 3, 5 bis 7 drehfest gehalten.
