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Die vorliegende Erfindung betrifft eine permanentmagnetische Radialdrehkupplung sowie eine Mikropumpe mit einer permanentmagnetischen Radialdrehkupplung
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind Magnetkupplungen bekannt, bei denen konzentrisch ineinander angeordnete Magnete bzw. Magnetpaare genutzt werden, um Drehmomente berührungslos zu übertragen. Ferner ist es bekannt, ein Umleitelement bzw. eine spezielle Magnetanordnung zu nutzen, um den magnetischen Fluss zu führen, um damit das übertragbare Drehmoment zu steigern und die Effizienz zu erhöhen. Je nach anliegendem Drehmoment verdrehen sich die beiden Kupplungsteile um einige Winkelgrade gegeneinander, wodurch statisch ein Gegenmoment in der Höhe des von außen anliegenden Moments entsteht.
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Im Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, zur Erhöhung des übertragbaren Moments die magnetische Polzahl zu erhöhen. Hierbei sind jedoch vor allem bei kleinen Abmessungen durch Fertigbarkeit und Magnetisierung Grenzen gegeben. Eine aktive Magnetflussführung durch Zusatzelemente kann ebenfalls zur Erhöhung des Drehmoments beitragen. Bei sehr kleinen Abmessungen oder stark beschränktem Bauraum besteht jedoch die Schwierigkeit darin, das notwendige Drehmoment zu erreichen bzw. die Anordnung anzufertigen und den zur Verfügung stehenden Bauraum einzuhalten. Eine Anordnung als Halbach-Anordnung konzentriert den Magnetfluss ohne zusätzliche magnetische Rückschlüsse und erhöht somit das Drehmoment, lässt sich aber fertigungstechnisch als Ganzes oder segmentweise bei kleinen Abmessungen nur schwer herstellen. Die Halbach-Anordnung ermöglicht, dass sich der magnetische Fluss an der einen Seite der Anordnung nahezu aufhebt, auf der anderen Seite jedoch verstärkt wird (starke Seite). Zur Schirmung des Magnetfeldes werden dann entweder die zur Führung des Magnetflusses angeordneten Bauteile oder gegebenenfalls weitere passive Bauelemente hinzugefügt, die ebenfalls Bauraum beanspruchen und konstruktiv Probleme bereiten können.
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Die Tatsache, dass eine Halbach-Anordnung den magnetischen Fluss auf einer Seite der Anordnung nahezu verschwinden lassen kann und auf der anderen Seite verstärkt kann, kann man an einer speziellen Ausführungsform einer Halbach-Anordnung verdeutlichen. Hierzu stellt man sich entlang der Oberfläche zum Beispiel von links nach rechts eine Anordnung von Bereichen unterschiedlicher Magnetisierung vor. Ganz links in einer ersten Stelle weist die Anordnung eine nach unten gerichtete Magnetisierung auf, weiter rechts an einer dritten Stelle ist die Magnetisierung nach oben gerichtet und noch weiter rechts an einer fünften Stelle ist die Magnetisierung abermals nach unten gerichtet. Das Magnetfeld dieser Anordnung geht von der dritten Stelle aus nach oben entlang jeweils eines Kreisbogens zur ersten und fünften Stelle. Von der ersten und fünften Stelle geht das Magnetfeld nach unten entlang jeweils eines Kreisbogens zur dritten Stelle. Man sieht also, dass das Magnetfeld zwei Kreise beschreibt, wobei der linke Kreis entgegen dem Uhrzeigersinn und der rechte Kreis im Uhrzeigersinn durchlaufen wird.
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Die Anordnung weist jedoch an einer zweiten Stelle, welche zwischen der ersten und dritten Stelle liegt, und an einer vierten Stelle, welche zwischen der dritten und fünften Stelle liegt, weitere Magnetisierungen auf. An der zweiten Stelle ist die Magnetisierung nach rechts gerichtet, d. h. sie zeigt von der ersten zur dritten Stelle und an der vierten Stelle ist die Magnetisierung von rechts nach links gerichtet, d. h. sie zeigt von der fünften zur dritten Stelle. Das Magnetfeld der Anordnung der zweiten und vierten Stelle kann ebenfalls durch zwei Kreise beschrieben werden, wobei bei dem linken Kreis die Feldlinien von der dritten Stelle nach oben zur ersten Stelle und auch nach unten zur ersten Stelle verlaufen. Bei dem rechten Kreis verlaufen die Feldlinien von der dritten Stelle nach oben zur fünften Stelle und auch nach unten zur fünften Stelle. Bei den beiden Kreisen der Anordnung der zweiten und vierten Stelle werden die Kreise also nicht im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn durchlaufen. Vielmehr wird der linke Kreis von der 3-Uhr-Stellung, d.h. von der dritten Stelle aus, über die 12-Uhr-Stellung zur 9-Uhr-Stellung gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen und von der 3-Uhr-Stellung über die 6-Uhr-Stellung zur 9-Uhr-Stellung im Uhrzeigersinn durchlaufen.
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Der rechte Kreis wird von der 9-Uhr-Stellung, d.h. von der dritten Stelle aus, über die 12-Uhr-Stellung zur 3-Uhr-Stellung im Uhrzeigersinn durchlaufen und von der 9-Uhr-Stellung über die 6-Uhr-Stellung zur 3-Uhr-Stellung entgegen dem Uhrzeigersinn durchlaufen.
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Das effektive Feld von allen fünf Stellen ist eine Überlagerung von einerseits der ersten, dritten und fünften Stelle und andererseits der zweiten und vierten Stelle. Somit ergibt sich das effektive Feld als eine Überlagerung der beiden oben beschriebenen Kreise der ersten, dritten und fünften Stelle und der beiden oben beschriebenen Kreise der zweiten und vierten Stelle. Hierbei erkennt man, dass sich auf der Oberseite der Anordnung, d.h. zwischen der 9-Uhr-Stellung über die 12-Uhr-Stellung bis zur 3-Uhr-Stellung, die Feldlinien verstärken und unterhalb der Anordnung, d.h. zwischen der 9-Uhr-Stellung über die 6-Uhr-Stellung bis zur 3-Uhr-Stellung, die Feldlinien nahezu auslöschen. Dies liegt daran, da die Feldlinien, welche von der ersten, dritten und fünften Stelle stammen und die Feldlinien, welche von der zweiten und vierten Stelle stammen, oberhalb der Anordnung parallel sind unterhalb der Anordnung antiparallel verlaufen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die permanentmagnetische Radialdrehkupplung dient der berührungslosen Übertragung von Drehmomenten. Hierzu werden konzentrisch ineinander angeordnete Magnete verwendet. Die Radialdrehkupplung kann alternativ auch Zentraldrehkupplung genannt werden.
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Die permanentmagnetische Radialdrehkupplung weist einen ersten zylinderförmigen Permanentmagneten und einen zweiten hohlzylinderförmigen Permanentmagneten auf.
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Hierbei ist der Innendurchmesser des zweiten Permanentmagneten größer als der Außendurchmesser des ersten Permanentmagneten. Ferner sind der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet koaxial angeordnet, so dass der erste Permanentmagnet im Inneren des zweiten Permanentmagneten angeordnet ist. Weiterhin sind sowohl der erste Permanentmagnet als auch der zweite Permanentmagnet um die gemeinsame Achse drehbar gelagert.
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Darüber hinaus weist sowohl der erste Permanentmagnet als auch der zweite Permanentmagnet mindestens ein Polpaar auf, wobei der erste Permanentmagnet dieselbe Anzahl an Polpaaren wie der zweite Permanentmagnet aufweist.
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Ferner weist der erste Permanentmagnet eine radiale oder eine parallele Magnetisierung und der zweite Permanentmagnet eine Halbach-Anordnung auf, dessen starke Seite die Innenseite des zweiten Permanentmagneten ist. Hierdurch lässt sich das Drehmoment erhöhen, da aufgrund der Anordnung und Magnetisierung der beiden Permanentmagneten der magnetische Fluss effektiver angeführt wird. Dies führt zu einer Reduktion des benötigten Gesamtvolumens und somit zu einer Reduktion des Magnetvolumens oder ermöglicht bei gleichbleibendem Magnetvolumen denselben Magnetfluss ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen, welche gemäß dem Stand der Technik notwendig wären, zum Beispiel die Anbringung einer Vorrichtung zum magnetischen Rückschluss. Durch diese spezielle Anordnung lassen sich sehr kleine Maße erreichen, die mit herkömmlichen Anordnungen nur bei geringerem Drehmoment erzielen lassen. Zum Beispiel können bei ventrikulären Herzunterstützungspumpen sehr kleine Abmessungen von beispielsweise 6 mm Kupplungsaußendurchmesser bei 5 mm Gesamtlänge realisiert werden. Gleichzeitig lassen sich so die fertigungstechnischen Nachteile einer mit zwei konzentrischen Halbach-Anordnungen ausgeführten Kupplung vermeiden. Magnetteile mit Außendurchmesser des inneren Magnetrings von beispielsweise 3 mm und einer Segmentierung von jeweils 45° sind kaum realisierbar. Durch die oben genannte Anordnung können sehr kleine Maße für Miniaturaxialpumpen im Allgemeinen und speziell im medizinischen Bereich erreicht werden, die trotz der kleinen Maße hohe Drehmomente übertragen können.
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Der Begriff „parallele Magnetisierung“ wird auch diametrale Magnetisierung genannt, bei der die Magnetisierung parallel zum Durchmesser verläuft. Bei der radialen Magnetisierung ist der Magnet entlang des Radius, d.h. radial magnetisiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Außendurchmesser des zweiten Permanentmagneten kleiner als 6 mm. Hierdurch können Herzpumpen bzw. Herzunterstützungssysteme (engl.: VAD, Ventricular Assist Device) vorteilhafterweise mit äußerst kleinen Abmessungen gefertigt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Halbach-Anordnung des zweiten Permanentmagneten Segmente auf. Insbesondere besteht die Halbach-Anordnung des zweiten Permanentmagneten aus Segmenten oder ist segmentweise ausgebildet. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass eine Halbach-Anordnung durch einfaches Zusammensetzen der Segmente gebildet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Permanentmagnet hohlzylinderförmig. Hierbei ist es weiter bevorzugt, dass im Inneren des ersten Permanentmagneten eine Welle angeordnet ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass eine antreibende Welle mit dem ersten Permanentmagneten gekoppelt ist und dass das Drehmoment der antreibenden Welle auf dem zweiten Permanentmagneten übertragen werden kann. Alternativ kann auch ein Drehmoment vom zweiten Permanentmagneten auf den ersten Permanentmagneten übertragen werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine weitere Welle mit dem zweiten Permanentmagneten verbunden bzw. gekoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine axiale Länge des ersten Permanentmagneten gleich groß wie eine axiale Länge des zweiten Permanentmagneten. Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die beiden Permanentmagneten eine kompakte Einheit bilden. Ferner kann im Falle eines bündigen Abschließens der beiden Permanentmagneten vorteilhafterweise erreicht werden, dass keine axialen Kräfte auf die beiden Permanentmagneten wirken.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine axiale Länge des ersten Permanentmagneten nicht gleich groß wie eine axiale Länge des zweiten Permanentmagneten. Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Design der permanentmagnetischen Radialdrehkupplung freier ist. So kann zum Beispiel eine antreibende Welle mit einem ersten Magneten verbunden sein und eine abtreibende Welle mit dem zweiten Permanentmagneten verbunden sein, wobei beide Permanentmagneten einen axialen Versatz aufweisen, welcher eine Axialkraft zwischen beiden Permanentmagneten bewirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet einen axialen Versatz auf. Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass eine Axialkraft einstellbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist auf der Außenseite des zweiten Permanentmagneten eine Vorrichtung zum magnetischen Rückschluss angeordnet. Bevorzugt wird zur Abschirmung der Streuflüsse der magnetische Rückschluss konzentrisch außen auf der Halbach-Anordnung angebracht. Neben fertigungstechnischen Vorteilen wird dadurch vorteilhafterweise erreicht, dass das Drehmoment der Kupplung erhöht wird, da weniger Streufelder verloren gehen.
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Auch für Blutpumpen mit kleinem Durchmesser, d.h. ca. 6 bis 8mm, können höhere Polpaarzahlen realisiert werden. Aufgrund der kleinen Größe der Magnetsegmente ist jedoch eine maximale Polzahl von vier, d.h. eine Polpaarzahl von zwei, bei axialen Blutpumpen realistisch. Sowohl bei Tauchpumpen als auch bei radialen Blutpumpen ist der Kupplungsdurchmesser im Allgemeinen größer, weshalb hier auch höhere Polzahlen erreicht werden können.
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Die Mikropumpe weist eine oben beschriebene permanentmagnetische Radialdrehkupplung auf. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine Mikropumpe bereitgestellt, welche die Vorzüge der oben genannten Radialdrehkupplung aufweist.
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Die permanentmagnetische Radialdrehkupplung kann in einer Vielzahl von Miniaturpumpen eingesetzt werden, z.B. Blutpumpen, ventrikulären Herzunterstützungspumpen, bei Miniaturaxialpumpen im Allgemeinen und speziell im medizinischen Bereich, ferner bei Antrieben oder Werkzeugen aller Art, vor allem bei Dosier- bzw. Mikropumpen zum Antrieb von impellerförmigen Laufrädern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Außendurchmesser der Mikropumpe kleiner als 10 mm, besonders bevorzugt kleiner als 8mm und noch weiter bevorzugt kleiner als 6mm. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine Mikropumpe mit äußerst kleinen Abmessungen bereitgestellt.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Schnittansicht einer permanentmagnetischen Radialdrehkupplung entlang der Längsachse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 und 3 zeigen Seitenansichten gemäß zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung.
- 4A zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer permanentmagnetischen Radialdrehkupplung entlang der Längsachse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4B zeigt eine Seitenansicht gemäß der Ausführungsform der 4A.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt eine Schnittansicht der permanentmagnetischen Radialdrehkupplung entlang der Längsachse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 1 sieht man eine permanentmagnetische Radialdrehkupplung 100, welche einen ersten Permanentmagneten 102 und einen zweiten Permanentmagnet 104 aufweist. Sowohl der erste Permanentmagnet 102 als auch der zweite Permanentmagnet 104 ist hohlzylinderförmig. Im Inneren des ersten Permanentmagneten 102 kann eine antreibende Welle angeordnet sein.
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Der Innendurchmesser des zweiten Permanentmagneten 104 ist größer als der Außendurchmesser des ersten Permanentmagneten 102. Ferner sind der erste Permanentmagnet 102 und der zweite Permanentmagnet 104 koaxial angeordnet. Sowohl der erste Permanentmagnet 102 als auch der zweite Permanentmagnet 104 sind um die gemeinsame Achse 106 drehbar gelagert.
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Der erste Permanentmagnet 102 ist parallel magnetisiert und weist ein Polpaar auf. Im Falle eines Zylinders oder Hohlzylinders, wie vorliegend beim ersten Permanentmagneten 102 kann auch von diametraler Magnetisierung gesprochen werden.
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Der zweite Permanentmagnet 104 weist ebenfalls ein Polpaar auf. Ferner ist der zweite Permanentmagnet 104 als Halbach-Anordnung realisiert, dessen starke Seite die Innenseite des zweiten Permanentmagneten 104 ist.
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Der zweite Permanentmagnet 104 weist acht 45°-Segmente im Außenring auf, während der erste Permanentmagnet 102 aus lediglich einem einzigen Bauteil besteht. Dies ist ein Grund, warum der erste Permanentmagnet 102 so klein gefertigt werden kann.
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2 zeigt eine Seitenansicht der permanentmagnetischen Radialdrehkupplung 100 der Ausführungsform der 1. Hierbei sieht man, dass die axiale Ausdehnung des ersten Permanentmagneten 102 größer als die axiale Ausdehnung des zweiten Permanentmagneten 104 ist. Ferner erkennt man, dass der erste Permanentmagnet 102 einseitig mit einer antreibenden Welle 108 verbunden ist.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer permanentmagnetischen Radialdrehkupplung 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hierbei sieht man, dass die axiale Ausdehnung des ersten Permanentmagneten 102 kleiner als die axiale Ausdehnung des zweiten Permanentmagneten 104 ist, wobei beide axiale Enden des ersten Permanentmagneten 102 innerhalb des zweiten Permanentmagneten 104 liegen. Ferner erkennt man, dass der erste Permanentmagnet 102 beidseitig mit einer antreibenden Welle 108 verbunden ist.
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4A zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer permanentmagnetischen Radialdrehkupplung entlang der Längsachse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 4A sieht man eine permanentmagnetische Radialdrehkupplung 100, welche ebenfalls wie in der Ausführungsform der 1 einen ersten Permanentmagneten 102 und einen zweiten Permanentmagnet 104 aufweist. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 weist jedoch gemäß der Ausführungsform der 4A sowohl der erste Permanentmagneten 102 als auch der zweite Permanentmagnet 104 jeweils zwei Polpaare auf. Hierbei weist der innenliegende erste Permanentmagnet 102 vier 90°-Segmenten in radialer Magnetisierung auf, während der außenliegende zweite Permanentmagnet 104 acht 45°-Segmente als Halbach-Anordnung aufweist.
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4B zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform der 4A. Hierbei sieht man, dass der innenliegende erste Permanentmagnet 102 einseitig mit einer antreibenden Welle 108 verbunden ist, während der außenliegende zweite Permanentmagnet 104 auf der anderen Seite mittels einem axialen Anschlussring 112 mit einer abtreibenden Welle 110 verbunden ist. Ferner ist der innenliegende erste Permanentmagnet 102 hierbei zur Erzeugung einer Axialkraft axial versetzt zum außenliegenden zweiten Permanentmagneten 104.
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Der erste Permanentmagnet weist beispielsweise für eine Kupplung in einer Blutpumpe folgende Maße auf: einen Innendurchmesser von 1 mm, einen Außendurchmesser von 3 mm und eine Magnetdicke von 1 mm. Der zweite Permanentmagnet weist für dasselbe Beispiel einer Kupplung in einer Blutpumpe folgende Maße auf: einen Innendurchmesser von 4 mm, einen Außendurchmesser von 5 mm und eine Magnetdicke von 0,5 mm.
