DE102019119680A1

DE102019119680A1 - Magnetische Kopplungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019119680A1
Application number: DE102019119680.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Golder
Original assignee: Stahl CraneSystems GmbH
Current assignee: Stahl CraneSystems GmbH
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-21
Anticipated expiration: 2039-07-20
Also published as: WO2021013575A1; DE102019119680B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kopplungsvorrichtung (10) mit einem ersten Kopplungsteil (12) und einem zweiten Kopplungsteil (13), die magnetisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen den Kopplungsteilen (12, 13) ist ein Luftspalt (14) begrenzt. Das zweite Kopplungsteil (13) weist im Querschnitt trapezförmige erste Permanentmagnete (16) auf, wobei jeder erste Permanentmagnet (16) in einem Zwischenraum (23) zwischen zwei Polstücken (17) des ersten Kopplungsteils (12) angeordnet ist. Ein Trapez (19) des Querschnitts des ersten Permanentmagneten (16) ist durch vier Eckpunkte definiert, zwei luftspaltseitige Eckpunkte (18a) und zwei luftspaltferne Eckpunkte (18b). Der kürzeste Abstand zwischen den beiden luftspaltseitigen Eckpunkten (18a) definiert einen ersten Abstand (a) und der kürzeste Abstand zwischen den beiden luftspaltfernen Eckpunkten (18b) definiert einen zweiten Abstand (b). Der zweite Abstand (b) ist mindestens 2,5-mal größer als der erste Abstand (a) und vorzugsweise höchstens 3,5-mal größer als der erste Abstand (a) .

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Kopplungsvorrichtung aufweisend ein erstes Kopplungsteil und ein zweites Kopplungsteil. Zwischen den beiden Kopplungsteilen wird ein Luftspalt begrenzt. Über ein den Luftspalt durchsetzendes Magnetfeld sind die beiden Kopplungsteile miteinander gekoppelt. Die Kopplungsvorrichtung kann, z.B. für Hysteresekupplungen, Elektromotoren oder Linearmotoren verwendet werden.
US 3,573,518 A beschreibt eine Hysteresekupplung mit zwei Kopplungsteilen, die mit unterschiedlichen Wellen verbunden sind. Ein Kopplungsteil weist Keramikmagnete auf, die in einer Umfangsrichtung konzentrisch zur Drehachse der Wellen angeordnet und in Umfangsrichtung polarisiert sind. Zwischen den Magneten sind Polstücke angeordnet, die einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
EP 2 696 469 B1 offenbart einen Rotor für eine Synchronmaschine, der Permanentmagnete mit einem trapezförmigen Querschnitt aufweist. Die Permanentmagnete sind in Taschen eines Blechpakets des Rotors angeordnet.
Aus EP 2 395 635 A1 ist eine Kopplungsvorrichtung bekannt, bei der an einem Rotor quaderförmige Permanentmagnete angeordnet sind, die in Umfangsrichtung polarisiert sind. Die radiale Abmessung soll dabei mindestens doppelt so groß sein, wie eine Breite der Permanentmagnete, die tangential zur Umfangsrichtung gemessen wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Kopplungsvorrichtung zu schaffen, die zur magnetischen Kopplung zweier Kopplungsteile Permanentmagnete verwendet und eine verbesserte Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Kopplungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kopplungsvorrichtung weist ein erstes Kopplungsteil und ein zweites Kopplungsteil auf, die dazwischen einen Luftspalt begrenzen. Die beiden Kopplungsteile sind magnetisch durch ein Magnetfeld miteinander gekoppelt, das sich zwischen den beiden Kopplungsteilen durch den Luftspalt erstreckt. Die Kopplungsvorrichtung kann, z.B. zur Bildung einer Hysteresekupplung verwendet werden. Mittels der Kopplungsvorrichtung lassen sich auch Linearmotoren oder rotatorisch angetriebene Elektromotoren aufbauen.
Das erste Kopplungsteil hat mehrere Permanentmagnete, die in einer Richtung, die nachfolgend als Anordnungsrichtung bezeichnet wird, parallel zum Luftspalt nebeneinander angeordnet sind. Die ersten Permanentmagnete sind in der Anordnungsrichtung polarisiert. Vorzugsweise weisen in der Anordnungsrichtung unmittelbar benachbart vorhandene erste Permanentmagnete gegensinnige Polarisierungen auf. Jeder erste Permanentmagnet ist in einem Zwischenraum zwischen zwei in der Anordnungsrichtung nebeneinander angeordneten Polstücken angeordnet. Die Polstücke bestehen aus magnetisierbarem Material, insbesondere aus wenigstens einem ferromagnetischen und/oder weichmagnetischen Material.
Erfindungsgemäß haben die ersten Permanentmagnete einen viereckigen Querschnitt, wobei ihre Eckpunkte ein Trapez bilden, insbesondere ein gleichschenkliges Trapez. In einer Querrichtung, rechtwinklig zur Anordnungsrichtung verjüngt sich der Querschnitt der ersten Permanentmagnete zum Luftspalt hin. In einer Tiefenrichtung, rechtwinklig zur Anordnungsrichtung und rechtwinklig zur Querrichtung ist der Querschnitt der ersten Permanentmagnete vorzugsweise konstant. Der Querschnitt der ersten Permanentmagnete wird in einer Ebene rechtwinkelig zur Tiefenrichtung gebildet. Die beiden Eckpunkte des Trapezes des Querschnitts der ersten Permanentmagnete, die näher am Luftspalt angeordnet sind, werden nachfolgend als luftspaltnahe Eckpunkte bezeichnet. Die kürzeste Distanz entlang einer Geraden zwischen den beiden luftspaltnahen Eckpunkten bildet einen ersten Abstand. Die beiden in Querrichtung mit größerem Abstand vom Luftspalt angeordneten Eckpunkte des Trapezes werden nachfolgend als luftspaltferne Eckpunkte bezeichnet. Die kürzeste Distanz entlang einer Geraden zwischen den beiden luftspaltfernen Eckpunkten bildet einen zweiten Abstand. Der zweite Abstand ist mindestens 2,5-mal so groß wie der erste Abstand. Die ersten Permanentmagnete bilden vorzugsweise einen prismatischen Körper.
Die Polstücke des ersten Kopplungsteils weisen einen Querschnitt rechtwinkelig zur Tiefenrichtung auf, der zum Luftspalt hin zunimmt.
Die ersten Permanentmagnete können Seltenerdmagnete sein und weisen beispielsweise Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium, Gadolinium oder Yttrium auf. Beispielsweise können die ersten Permanentmagnete aus einer Legierung aufweisend eines der genannten Seltenerdmetalle sowie Eisen oder Kobalt oder Nickel hergestellt sein. Die ersten Permanentmagnete sind teuer und es besteht daher ein Bedürfnis, deren Volumen zu minimieren. Allerdings muss auch sichergestellt werden, dass die magnetische Kopplung bzw. Kraft der ersten Permanentmagnete ausreichend groß ist, so dass zwischen den Kopplungsteilen das gewünschte Kopplungsdrehmoment oder die gewünschte Kopplungskraft erreicht wird.
Die Querschnittsform der ersten Permanentmagnete führt zu einem deutlichen Effizienzgewinn. Durch diese Trapezform wird erreicht, dass die ersten Permanentmagnete einen magnetischen Fluss in die benachbarten Polstücke ausbilden und ein Streufeld aus den Permanentmagneten in den Luftspalt minimiert wird. Der Erfindung liegt außerdem die Erkenntnis zugrunde, dass das Verhältnis der beiden sich gegenüberliegenden, unterschiedlich langen Seiten eines vorzugsweise gleichschenkligen Trapezes im beanspruchten Bereich eine besonders hohe Effizienz im Hinblick auf den Materialeinsatz und das erreichbare Kopplungsdrehmoment oder die erreichbare Kopplungskraft bietet.
Es ist vorteilhaft, wenn der zweite Abstand höchstens 3,5-mal so groß ist wie der erste Abstand. Eine weitere Vergrößerung des zweiten Abstands gegenüber dem ersten Abstand führt zu keinem Gewinn im Hinblick auf das erreichbare Kopplungsdrehmoment oder die erreichbare Kopplungskraft.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Trapez in Querrichtung eine Höhe, die größer ist als der zweite Abstand. Vorzugsweise ist die Höhe des Trapezes mindestens 4-mal so groß wie der erste Abstand. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Höhe des Trapezes höchstens 6-mal so groß ist, wie der erste Abstand. Durch diese Dimensionierung kann ein weiterer Effizienzgewinn im Hinblick auf das Gesamtvolumen eines ersten Permanentmagneten zum erreichbaren maximalen Drehmoment erreicht werden.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn das Volumen eines Polstücks mindestens 2-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn das Volumen eines Polstücks höchstens 3-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten. Das Volumen der Polstücke muss ausreichend groß sein, um den magnetischen Fluss der ersten Permanentmagnete aufzunehmen. Durch die angegebene Dimensionierung des Volumens kann eine Optimierung erreicht werden, bei der Streufelder minimiert und die Flussdichte durch den Luftspalt optimiert wird.
Die beiden unmittelbar an ein gemeinsames Polstück auf unterschiedlichen Seiten angrenzenden ersten Permanentmagnete sind bei der bevorzugten Ausführungsform gegensinnig polarisiert. Das dazwischen angeordnete Polstück entspricht daher entweder einem magnetischen Nordpol oder einem magnetischen Südpol.
Es ist bevorzugt, wenn jeder erste Permanentmagnet zwei in der Anordnungsrichtung auf entgegengesetzte Seiten vorhandene Anlagenflächen aufweist, wobei jede Anlagefläche an einem benachbarten Polstück anliegt, vorzugsweise flächig anliegt. Unter einem flächigen Kontakt ist in diesem Zusammenhang eine im Wesentlichen ununterbrochene Anlage über die gesamte Anlagefläche zu verstehen.
Jedes Polstück kann zwei Gegenanlageflächen aufweisen, die in Anordnungsrichtung auf entgegengesetzten Seiten angeordnet sind. An jeder Gegenanlagefläche liegt bei dieser Ausführung jeweils ein unmittelbar benachbarter erster Permanentmagnet an.
Es ist bevorzugt, wenn jede Anlagefläche und/oder jede Gegenanlagefläche gegenüber der Querrichtung einen Neigungswinkel aufweist, der im Bereich von 5° bis 20° und vorzugsweise von 7° bis 17,5° liegt. Es ist bevorzugt, wenn eine Anlagefläche und eine daran anliegende Gegenanlagefläche denselben Neigungswinkel aufweisen, so dass eine flächige Anlage erreicht werden kann. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn sämtliche Anlageflächen und sämtliche Gegenanlageflächen denselben Neigungswinkel aufweisen.
Die Polstücke des ersten Kopplungsteils können in Querrichtung mit Abstand zum Luftspalt miteinander verbunden sein. Im Bereich der Zwischenräume und angrenzend an den Luftspalt sind die Polstücke des ersten Kopplungsteils vorzugsweise nicht unmittelbar miteinander verbunden. Insbesondere sind die Polstücke in Querrichtung betrachtet auf Höhe der Zwischenräume und in Querrichtung zwischen dem Luftspalt und dem Zwischenraum nicht durch magnetisierbares Material miteinander verbunden.
Es ist vorteilhaft, wenn die ersten Permanentmagnete ohne Haftvermittlungsverbindung bzw. Klebeverbindung in den Zwischenräumen zwischen den Polstücken angeordnet sind. Beispielsweise können die ersten Permanentmagnete durch ein mechanisches Haltemittel in den Zwischenräumen gehalten bzw. gesichert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Kopplungsteil mehrere in Anordnungsrichtung nebeneinander angeordnete zweite Permanentmagnete auf. Dies ist beispielsweise dann bevorzugt, wenn die Kopplungsvorrichtung eine Hysteresekupplung bildet. Alternativ zu den zweiten Permanentmagneten können auch andere ein Magnetfeld ausbildende Elemente vorhanden sein, wie etwa Spulen. Mittels Spulen lässt sich beispielsweise ein bewegtes Magnetfeld erzeugen, um einen Motor aufzubauen.
Es ist bevorzugt, wenn der Betrag der Koerzitivfeldstärke der ersten Permanentmagnete größer ist als der Betrag der Koerzitivfeldstärke der zweiten Permanentmagnete.
Vorzugsweise sind die zweiten Permanentmagnete in Anordnungsrichtung polarisiert.
Die Anordnungsrichtung kann sich entlang einer Geraden erstrecken oder alternativ entlang einer Kreisbahn. Somit lassen sich lineare, wie auch rotatorische Kopplungsvorrichtungen realisieren. Beispielsweise bildet das erste Kopplungsteil einen Läufer und das zweite Kopplungsteil einen Stator, wenn ein rotatorischer oder linearer Antrieb gebildet werden soll. Im Falle einer Hysteresekupplung sind beide Kopplungsteile linear oder rotatorisch bewegbar gelagert.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Anzahl der ersten Permanentmagnete und die Anzahl der zweiten Permanentmagnete teilerfremd sind. Darunter ist zu verstehen, dass keine natürliche Zahl außer der Eins existiert, die sowohl die Anzahl der ersten Permanentmagnete als auch die Anzahl der zweiten Permanentmagnete teilt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Kopplungsvorrichtung in Form einer Hysteresekupplung, wobei das erste Kopplungsteil und das zweite Kopplungsteil um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sind,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kopplungsvorrichtung in Form einer Hysteresekupplung, wobei die beiden Kopplungsteile linear bewegbar gelagert sind,
3 eine vergrößerte Prinzipdarstellung der Form eines ersten Permanentmagneten sowie eines Polstücks eines ersten Kopplungsteils entsprechend der 1 oder 2,
4 eine alternative Ausgestaltungsform eines ersten Permanentmagneten in einer Seitenansicht,
5 eine schematische Draufsicht auf ein zweites Kopplungsteil einer Kopplungsvorrichtung mit mehreren Gruppen von zweiten Permanentmagneten, die in einer Anordnungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, und
6 ein schematisches Diagramm, das die magnetische Flussdichte abhängig von der magnetischen Feldstärke für erste Permanentmagnete des ersten Kopplungsteils und zweite Permanentmagnete des zweiten Kopplungsteils veranschaulicht.

In den 1 und 2 ist jeweils schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Kopplungsvorrichtung 10 veranschaulicht, wobei die Kopplungsvorrichtungen 10 bei diesen Ausführungsbeispielen jeweils eine Hysteresekupplung 11 bilden. Die Kopplungsvorrichtung 10 weist jeweils ein erstes Kopplungsteil 12 sowie ein zweites Kopplungsteil 13 auf. Zwischen dem ersten Kopplungsteil 12 und dem zweiten Kopplungsteil 13 ist ein Luftspalt 14 begrenzt. Durch ein den Luftspalt 14 durchsetzendes Magnetfeld sind die Kopplungsteile 12, 13 magnetisch miteinander gekoppelt.
Bei dem Ausführungsbeispiel in 1 sind die beiden Kopplungsteile 12, 13 jeweils drehbar um eine gemeinsame Drehachse 15 bewegbar gelagert. Jedes Kopplungsteil 12, 13 kann mit einer Welle verbunden sein, die mittels der Hysteresekupplung 11 miteinander gekoppelt werden sollen. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Kopplungsteile 12, 13 in einer linearen Bewegungsrichtung bewegbar gelagert.
Das erste Kopplungsteil 12 weist mehrere in einer Anordnungsrichtung R nebeneinander angeordnete erste Permanentmagneten 16 auf. Die ersten Permanentmagnete bestehen vorzugsweise aus einem hartmagnetischen Material. Die ersten Permanentmagnete 16 sind in der Anordnungsrichtung R polarisiert. Die Anordnungsrichtung R ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch die Umfangsrichtung um die Drehachse 15 gebildet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Anordnungsrichtung R durch die Richtung gebildet, in der das erste Kopplungsteil 12 und das zweite Kopplungsteil 13 bewegbar gelagert sind.
Wie es in den 1 und 2 veranschaulicht ist, weist das erste Kopplungsteil 12 außerdem Polstücke 17 aus einem magnetisierbaren Material auf. Die Anzahl der Polstücke 17 entspricht der Anzahl der ersten Permanentmagnete 16.
In den 1 und 2 ist bereits zu erkennen, dass die ersten Permanentmagnete 16 einen Querschnitt aufweisen, dessen vier Eckpunkte 18a und 18b ein Trapez 19 bilden, beispielsgemäß ein gleichschenkliges Trapez 19. Die Querschnittsebene ist rechtwinkelig zu einer Tiefenrichtung T ausgerichtet. Die Tiefenrichtung T und die Anordnungsrichtung R spannen eine Ebene oder Fläche auf, parallel zu der sich der Luftspalt 14 erstreckt. Eine Querrichtung Q ist rechtwinklig zur Anordnungsrichtung R und zur Tiefenrichtung T ausgerichtet. Die Querschnittsebene erstreckt sich daher parallel zu einer durch die Querrichtung Q und die Anordnungsrichtung R aufgespannten Ebene.
Die beiden Eckpunkte 18a des Trapezes 19, die in Querrichtung Q benachbart zum Luftspalt 14 angeordnet sind, werden nachfolgend als luftspaltnahe Eckpunkte 18a bezeichnet. Sie sind in Anordnungsrichtung R nebeneinander angeordnet. Die beiden anderen Eckpunkte 18b des Trapezes 19, die nachfolgend als luftspaltferne Eckpunkte 18b bezeichnet werden, sind in Querrichtung Q auf der dem Luftspalt 14 entgegengesetzten Seite des ersten Permanentmagneten 16 angeordnet. Die kürzeste Distanz entlang einer Geraden zwischen den beiden luftspaltnahen Eckpunkten 18a bildet einen ersten Abstand a. Die kürzeste Distanz entlang einer Geraden zwischen den beiden luftspaltfernen Eckpunkten 18b bildet einen zweiten Abstand b. Diese Geraden können sich in Anordnungsrichtung R erstrecken (2) oder tangential zur Anordnungsrichtung R ausgerichtet sein (1). In Querrichtung Q hat das Trapez 19 des Querschnitts der ersten Permanentmagnete 16 eine Höhe h. In 3 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines ersten Permanentmagneten 16 sowie der beiden benachbarten Polstücke 17 veranschaulicht.
Der trapezförmige Querschnitt des ersten Permanentmagneten 16 ist in Tiefenrichtung T konstant. Wie erläutert erstreckt sich der Luftspalt 14 parallel zu einer Ebene oder Fläche, die durch die Anordnungsrichtung R und die Tiefenrichtung T aufgespannt ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 entspricht die Tiefenrichtung T einer Axialrichtung parallel zur Drehachse 15. Die Querrichtung Q ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Radialrichtung rechtwinklig zur Drehachse 15. Der Luftspalt ist insbesondere hohlzylindrisch. In den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 ist die Tiefenrichtung T rechtwinklig zur Zeichenebene ausgerichtet.
In der Anordnungsrichtung R wechselt sich jeweils ein Polstück 17 mit einem ersten Permanentmagneten 16 ab. Jeder erste Permanentmagnet 16 ist somit in einem Zwischenraum 23 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Polstücken 17 angeordnet. Jeder erste Permanentmagnet 16 hat auf seinen beiden in Anordnungsrichtung R entgegengesetzten Seiten jeweils eine Anlagefläche 24. Jeder Anlagefläche 24 liegt eine Gegenanlagefläche 25 des unmittelbar benachbarten Polstücks 17 gegenüber. Zwei Gegenanlageflächen 25 unmittelbar benachbarter Polstücke 17 begrenzen jeweils einen Zwischenraum 23 für einen ersten Permanentmagneten 16. Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt jeweils eine Anlagefläche 24 an einer Gegenanlagefläche 25 an und bildet dabei vorzugsweise einen im Wesentlichen unterbrechungsfreien flächigen Kontakt.
Wie es vor allem in 3 veranschaulicht ist, sind die Anlageflächen 24 und die Gegenanlageflächen 25 parallel zur Tiefenrichtung ausgerichtet und gegenüber der Anordnungsrichtung R unter einem Neigungswinkel α geneigt. Eine Ebene, die sich parallel zu einer Anlagefläche 24 und der daran anliegenden Gegenanlagefläche 25 erstreckt, ist weder parallel zur Anordnungsrichtung R, noch parallel zur Querrichtung Q ausgerichtet.
Der Neigungswinkel α beträgt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mindestens 5° und vorzugsweise mindestens 7°. Der Neigungswinkel α ist vorzugsweise kleiner als 20° und weiter vorzugsweise kleiner als 17,5°.
Um das Volumen der ersten Permanentmagnete 16 im Hinblick auf das erreichbare Drehmoment optimal auszunutzen, ist der zweite Abstand b der luftspaltfernen Eckpunkten 18b mindestens 2,5-mal größer als der erste Abstand a der luftspaltseitigen Eckpunkte 18a. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Höhe h des Trapezes 19 bzw. die Höhe h der ersten Permanentmagnete 16 größer ist als der zweite Abstand b zwischen den beiden luftspaltfernen Eckpunkten 18b. Es hat sich auch gezeigt, dass eine beliebige Vergrößerung der Höhe h gegenüber dem ersten Abstand a und/oder des zweiten Abstands b gegenüber dem ersten Abstand a im Hinblick auf die Effizienz nicht sinnvoll ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfüllt die Abmessung der ersten Permanentmagnete 16 folgende Bedingungen: $2,5 \cdot a \leq b \leq 3,5 \cdot a$
$4 \cdot a \leq h \leq 6 \cdot a$
In jedem Zwischenraum 23 ist genau ein erster Permanentmagnet 16 angeordnet. Vorzugsweise ist der erste Permanentmagnet 16 aus einem integralen Körper gebildet. Alternativ hierzu wäre es auch möglich, einen ersten Permanentmagneten 16 mehrteilig auszubilden und mehrere Teile in Tiefenrichtung T zu stapeln.
Die ersten Permanentmagneten 16 sind in den Zwischenraum 23 frei von einer Haftvermittlungsverbindung angeordnet. Insbesondere ist zwischen dem ersten Permanentmagneten 16 und den beiden Polstücken 17, die den Zwischenraum 23 begrenzen, keine Haftvermittlungsschicht bzw. Klebeschicht vorhanden. Bevorzugt sind die ersten Permanentmagnete 16 in den sich zum Luftspalt 14 hin verjüngenden Zwischenraum 23 eingesetzt und werden dort mechanisch gehalten. Hierzu kann ein geeignetes mechanisches Rückhaltemittel vorhanden sein, das einen oder mehrere oder alle erste Permanentmagnete 16 in dem Zwischenraum 23 sichert. Das Sicherungsmittel kann kraftschlüssig und/oder formschlüssig auf einen oder mehrere oder alle erste Permanentmagnete 16 in Tiefenrichtung T und/oder Querrichtung Q einwirken.
Die Polstücke 17 sind parallel zur Tiefenrichtung T betrachtet im Querschnitt ebenfalls trapezförmig ausgebildet, wobei deren Querschnitt zum Luftspalt 14 hin zunimmt. Die Trapezform ist durch die Anordnung der Gegenanlageflächen 25 im Neigungswinkel α bedingt. In Querrichtung Q können die Polstücke 17 eine Höhe aufweisen, die der Höhe h der ersten Permanentmagneten 16 entspricht (3). Alternativ hierzu kann die Höhe der Polstücke 17 auch etwas größer sein als die Höhe h der ersten Permanentmagnete 16.
In Tiefenrichtung T haben die ersten Permanentmagnete 16 jeweils eine Tiefe c (3). Eine Tiefe der Polstücke 17 ist vorzugsweise gleich groß wie die Tiefe c der ersten Permanentmagnete 16. Alternativ zur Darstellung in 3 könnte die Tiefe der Polstücke 17 auch etwas größer sein als die Tiefe c der ersten Permanentmagnete 16.
Wie eingangs erläutert, sind die ersten Permanentmagnete 16 in Anordnungsrichtung R derart gegensinnig magnetisiert, dass an ein Polstück 17 unmittelbar jeweils zwei magnetische Südpole S oder zwei magnetische Nordpole N angrenzen, wie es in den 1 und 2 veranschaulicht ist. Dadurch bildet jedes Polstück 17 entweder einen magnetischen Südpol S oder einen magnetischen Nordpol N. Die Magnetfeldlinien eines Magnetfeldes, das aufgrund des magnetischen Flusses der ersten Permanentmagnete 16 gebildet wird, verlaufen daher von einem einen magnetischen Nordpol N bildenden Polstück 17 zu einem einen magnetischen Südpol S bildenden Polstück 17 (2).
Die Effizienz bei der Ausnutzung des magnetischen Flusses ist dann besonders hoch, wenn das Volumen eines Polstücks 17 mindestens 2-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten 16 und vorzugsweise höchstens 3-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten 16.
Bei den hier veranschaulichten Ausführungsbeispielen, bei denen die Kopplungsvorrichtung 10 als Hysteresekupplung 11 ausgebildet ist, weist das zweite Kopplungsteil 13 mehrere zweite Permanentmagnete 30 auf, die in Anordnungsrichtung R nebeneinander angeordnet sind. Die zweiten Permanentmagnete 30 sind an einem Halter 31 des zweiten Kopplungsteils 13 angeordnet. Die zweiten Permanentmagnete 30 sind in Anordnungsrichtung R polarisiert bzw. werden durch die stärkeren ersten Permanentmagnete 16 in Anordnungsrichtung R polarisiert. In Anordnungsrichtung R kann zwischen zwei unmittelbar benachbarten zweiten Permanentmagneten 30 ein Zwischenraum oder Spalt vorhanden sein. Der Halter 31 kann in Tiefenrichtung T durch mehrere relativ zueinander isolierte Bleche gebildet sein, beispielsweise durch mehrere Bleche aus Metall oder einer metallischen Legierung. Alternativ dazu kann der Träger 31 aus einem nicht elektrisch leitfähigen und/oder nicht magnetisierbaren Material hergestellt werden. Als Material für den Träger kann beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, Kunststoff oder ein Verbundmaterial verwendet werden.
Die zweiten Permanentmagnete 30 grenzen mit einer Seite an den Luftspalt 14 an, so dass sie gemeinsam mit den ersten Permanentmagneten 16 und den Polstücken 17 den Luftspalt 14 in Querrichtung Q von entgegengesetzten Seiten her begrenzen. Analog zu der Anordnung der ersten Permanentmagnete 16 bzw. der Polstücke 17 können die zweiten Permanentmagnete 30 in Anordnungsrichtung R entlang einer Kreisbahn um die Drehachse 15 angeordnet sein (1) oder linear nebeneinander (2).
Das erste Kopplungsteil 12 weist eine erste Anzahl N1 erster Permanentmagnete 16 auf. Das zweite Kopplungsteil 13 weist eine zweite Anzahl N2 zweiter Permanentmagnete 30 auf. Die erste Anzahl N1 und die zweite Anzahl N2 sind teilerfremd. Das heißt es existiert keine natürliche Zahl außer der Eins, die sowohl einen Teiler zu der ersten Anzahl N1, als auch einen Teiler zu der zweiten Anzahl N2 bildet.
Bevorzugt ist die erste Anzahl N1 und die zweite Anzahl N2 alternativ oder zusätzlich zu der Teilerfremdheit so gewählt, dass folgende Bedingung erfüllt ist: $\frac{N 1 \cdot N 2}{180} = 2^{n}, m i t n = 0,1,2, \dots$
Durch diese zusätzliche Bedingung kann ein weitgehend rastmomentfreier Drehmomentverlauf gewährleistet werden. Diese Bedingungen gelten zumindest dann, wenn die erste Anzahl N1 der ersten Permanentmagnete 16 höchstens gleich 160 ist und die zweite Anzahl N2 der zweiten Permanentmagnete 30 höchstens gleich 45 ist.
Folgende Kombinationen der ersten Anzahl N1 und der zweiten Anzahl N2 sind besonders vorteilhaft:

N1 20 36 40 72 80

N2 9 5 9 5 9
Dadurch, dass die erste Anzahl N1 teilerfremd ist zur zweiten Anzahl N2, ergeben sich für eine rotatorische Anordnung, wie sie in 1 gezeigt ist, unterschiedliche Polwinkel für das erste Kopplungsteil 12 und das zweite Kopplungsteil 13. Übertragen auf die lineare Anordnung in 2 bedeutet dies, dass Mittelebenen rechtwinklig zur Anordnungsrichtung R, die durch die ersten Permanentmagnete 16 verlaufen, einen Polabstand zueinander haben, der verschieden ist von einem Polabstand zweier benachbarter Mittelebenen rechtwinklig zur Anordnungsrichtung R durch die zweiten Permanentmagnete 30.
Es ist bevorzugt, wenn die ersten Permanentmagnete 16 eine an den Luftspalt 14 angrenzende luftspaltnahe Außenfläche aufweisen, die durch die luftspaltnahen Eckpunkte 18a definiert ist, die sich in einer Ebene erstreckt. Die in Querrichtung Q auf der entgegengesetzten Seite vorhandene luftspaltferne Außenfläche, die durch die luftspaltfernen Eckpunkte 18b definiert ist, erstreckt sich vorzugsweise ebenfalls in einer Ebene und insbesondere parallel zu der luftspaltnahen Außenfläche. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass sich die luftspaltnahe und/oder luftspaltferne Außenfläche entlang eines Abschnitts einer Zylindermantelfläche um die Drehachse 15 erstreckt, beispielsweise bei einer Kopplungsvorrichtung 10 gemäß 1. Die Krümmung der luftspaltnahen und luftspaltfernen Außenflächen ist schematisch in 4 veranschaulicht. Da sich bei einer solchen Anordnung die Kantenlänge zwischen den luftspaltnahen Eckpunkten 18a und den luftspaltfernen Eckpunkten 18b sowie der Flächeninhalt des Trapezes 19 nur unwesentlich ändert, können auch bei dieser Ausführungsform die gekrümmten Kanten des Trapezes 19 durch gerade Kanten angenähert werden, so dass die vorstehenden Erläuterungen auch für die in 4 dargestellte Ausführungsform der ersten Permanentmagnete 16 zutreffen.
In 6 sind schematisch eine erste Kennlinie K1 für die ersten Permanentmagneten 16 und eine zweite Kennlinie K2 für die zweiten Permanentmagneten 30 veranschaulicht. Wie es zu erkennen ist, weisen die ersten Permanentmagnete 16 eine erste Koerzitivfeldstärke HC1 auf, deren Betrag größer ist als der Betrag einer zweiten Koerzitivfeldstärke HC2 der zweiten Permanentmagneten 30. Außerdem haben die ersten Permanentmagnete 16 eine erste Remanenzflussdichte BR1, die größer ist als eine zweite Remanenzflussdichte BR2 der zweiten Permanentmagnete 30. Im geschlossenen magnetischen Kreis der ersten Permanentmagnete 16 und der zweiten Permanentmagnete 30 sind die stärkeren ersten Permanentmagnete 16 als Quelle zu betrachten, die die zweiten Permanentmagnete 30 magnetisieren. Daher ist die zweite Kennlinie K2 gegenüber der B-Achse gespiegelt veranschaulicht.
Wie es in 6 außerdem zu erkennen ist, ist die erste Sättigungsmagnetisierung BS1 der ersten Permanentmagneten 16 größer als die zweite Sättigungsmagnetisierung BS2 der zweiten Permanentmagnete 30.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die erste Koerzitivfeldstärke HC1 größer sein als 1000 kA/m. Der erste Permanentmagnet 16 hat vorzugsweise ein Energieprodukt, das größer ist als 100 kJ/m³ oder größer ist als 200 kJ/m³.
Die ersten Permanentmagnete 16 können, z.B. aus einer Legierung bestehen, die Neodym, Eisen und Bor enthält. Die zweiten Permanentmagnete 30 können beispielsweise aus einer Legierung bestehen, die Aluminium, Nickel und Kobalt enthält.
In 2 ist stark schematisiert der Verlauf von Magnetfeldlinien M im Luftspalt 14 und im zweiten Permanentmagneten 30 veranschaulicht. Die Magnetfeldlinien M verlaufen ausgehend von einem einen magnetischen Nordpol N bildenden Polstück 17 durch den Luftspalt 14, treten in den zweiten Permanentmagneten 30 an einem magnetischen Südpol S ein, treten an dem zweiten Permanentmagneten 30 am magnetischen Nordpol N aus, durchsetzen wieder den Luftspalt 14 und treten in ein Polstück 17 ein, das einen magnetischen Südpol S bildet. Der magnetische Fluss, der sich dabei durch eine Schnittfläche des zweiten Permanentmagneten 30 ergibt, verursacht im zweiten Magneten 30 abhängig vom Flächeninhalt einer Schnittfläche rechtwinklig zur Anordnungsrichtung R eine Flussdichte. Vorzugsweise ist der Flächeninhalt der Schnittfläche rechtwinklig zur Anordnungsrichtung R derart gewählt, dass in dem zweiten Permanentmagneten 30 eine Flussdichte erreicht wird, die höchstens der zweiten Sättigungsmagnetisierung BS2 entspricht. Vorzugsweise wird an keiner Stelle dieser Schnittfläche eine Flussdichte erreicht, die größer ist als die zweite Sättigungsmagnetisierung BS2. Vorzugsweise wird der Flächeninhalt dieser Schnittfläche derart dimensioniert, dass zumindest an einer Stelle die zweite Sättigungsmagnetisierung BS2 erreicht wird, um das maximal übertragbare Kopplungsdrehmoment oder die maximal übertragbare Kopplungskraft zwischen den beiden Kopplungsteilen 12, 13 zu erreichen.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Realisierung des zweiten Kopplungsteils 13 veranschaulicht. In Tiefenrichtung T sind hierbei nebeneinander mehrere Reihen oder Gruppen von zweiten Permanentmagneten 30 angeordnet, die jeweils in Anordnungsrichtung R zueinander versetzt sind, beispielsgemäß um eine Distanz d. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind eine erste Gruppe 32, eine zweite Gruppe 33 und eine dritte Gruppe 34 vorhanden, wobei alle Gruppen 32, 33, 34 dieselbe Anzahl an zweiten Permanentmagneten 30 aufweist. Die Distanz d ist kleiner als die Länge der zweiten Permanentmagnete 30 in Anordnungsrichtung R. Der Versatz bzw. die Distanz d sind derart gewählt, dass die Lücken oder Spalte zwischen den zweiten Permanentmagneten 30 einer Gruppe in Tiefenrichtung T nicht fluchten mit den Spalten oder Lücken sämtlicher anderer Gruppen.
Am Beispiel der Hysteresekupplung 11 gemäß 1 wird nachfolgend deren Funktionsweise erläutert. Wird das erste Kopplungsteil 12 oder das zweite Kopplungsteil 13 um die Drehachse 15 angetrieben, erzeugen die ersten Permanentmagnete 16 gemeinsam mit den Polstücken 17 ein Magnetfeld, das den Luftspalt 14 und die zweiten Permanentmagnete 30 durchsetzt. Dadurch entsteht eine magnetische Kopplung zwischen den beiden Kopplungsteilen 12, 13. Abhängig von der Dimensionierung kann dadurch das nicht angetriebene Kopplungsteil vom angetriebenen Kopplungsteil mitgenommen werden und rotiert ebenfalls um die Drehachse 15. Sobald die durch die Hysteresekupplung 11 definierte Schlupfgrenze erreicht ist, findet eine Relativverdrehung der beiden Kopplungsteile 12, 13 zueinander statt. Bei einer Annäherung an die Schlupfgrenze der Hysteresekupplung 11 werden die durch die ersten Permanentmagnete 16 bzw. die Polstücke 17 an den zugewandten Seiten der zweiten Permanentmagnete 30 induzierten Magnetpole in Anordnungsrichtung R relativ zu den magnetischen Polen der Polstücke 17 verschoben. Die induzierten Pole des zweiten Magneten 19 beruhen auf der Aufmagnetisierung des Magnetmaterials der zweiten Permanentmagnete 30 - möglichst bis zur zweiten Sättigungsmagnetisierung BS2. Wird durch diese Verschiebung der induzierten Magnetpole an den zweiten Permanentmagneten 30 die zweite Koerzitivfeldstärke HC2 erreicht bzw. überschritten, beginnen die induzierten Pole auf in Anordnungsrichtung R entlang der zweiten Permanentmagnete 30 zu wandern, wodurch kein Drehmoment bzw. keine Kraft zwischen den beiden Kopplungsteilen 12, 13 schlupffrei übertragen werden kann.
Eine Hysteresekupplung mit linear bewegten Kopplungsteilen 12, 13, wie sie in 2 veranschaulicht ist, arbeitet auf demselben Prinzip, so dass auf die vorstehende Erläuterung verwiesen werden kann.
Die Erfindung betrifft eine Kopplungsvorrichtung 10 mit einem ersten Kopplungsteil 12 und einem zweiten Kopplungsteil 13, die magnetisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen den Kopplungsteilen 12, 13 ist ein Luftspalt 14 begrenzt. Das zweite Kopplungsteil 13 weist im Querschnitt trapezförmige erste Permanentmagnete 16 auf, wobei jeder erste Permanentmagnet 16 in einem Zwischenraum 23 zwischen zwei Polstücken 17 des ersten Kopplungsteils 12 angeordnet ist. Ein Trapez 19 des Querschnitts des ersten Permanentmagneten 16 ist durch vier Eckpunkte definiert, zwei luftspaltseitige Eckpunkte 18a und zwei luftspaltferne Eckpunkte 18b. Der kürzeste Abstand zwischen den beiden luftspaltseitigen Eckpunkten 18a definiert einen ersten Abstand a und der kürzeste Abstand zwischen den beiden luftspaltfernen Eckpunkten 18b definiert einen zweiten Abstand b. Der zweite Abstand b ist mindestens 2,5-mal größer als der erste Abstand a und vorzugsweise höchstens 3,5-mal größer als der erste Abstand a.
Bezugszeichenliste

10: Kopplungsvorrichtung
11: Hyteresekupplung
12: erstes Kopplungsteil
13: zweites Kopplungsteil
14: Luftspalt
15: Drehachse
16: erster Permanentmagnet
17: Polstück
18a: luftspaltseitiger Eckpunkt
18b: luftspaltferner Eckpunkt
19: Trapez
23: Zwischenraum
24: Anlagefläche
25: Gegenanlagefläche
30: zweite Permanentmagnete
31: Halter
32: erste Gruppe
33: zweite Gruppe
34: dritte Gruppe
α: Neigungswinkel
a: erster Abstand
b: zweiter Abstand
BR1: erste Remanenzflussdichte
BR2: zweite Remanenzflussdichte
BS1: erste Sättigungsmagnetisierung
BS2: zweite Sättigungsmagnetisierung
c: Tiefe
d: Distanz
h: Höhe
HC1: erste Koerzitivfeldstärke
HC2: zweite Koerzitivfeldstärke
K1: erste Kennlinie
K2: zweite Kennlinie
M: Magnetfeldlinie
N: Nordpol
Q: Querrichtung
R: Anordnungsrichtung
S: Südpol
T: Tiefenrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3573518 A [0002]
EP 2696469 B1 [0003]
EP 2395635 A1 [0004]

Claims

Kopplungsvorrichtung (10) aufweisend ein erstes Kopplungsteil (12) und ein zweites Kopplungsteil (13), die einen Luftspalt (14) zwischen dem ersten Kopplungsteil (12) und dem zweiten Kopplungsteil (13) begrenzen, und die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei an dem ersten Kopplungsteil (12) mehrere erste Permanentmagnete (16) angeordnet sind, die in einer Anordnungsrichtung (R) parallel zum Luftspalt (16) nebeneinander angeordnet und in der Anordnungsrichtung (R) polarisiert sind, wobei die ersten Permanentmagnete (16) einen Querschnitt aufweisen, dessen Eckpunkte (18a, 18b) ein Trapez (19) bilden, wobei die beiden Eckpunkte (18a) des Trapezes (19), die näher an dem Luftspalt (14) angeordnet sind, einen ersten Abstand (a) aufweisen und die beiden anderen Eckpunkte (18b) des Trapezes (19) einen zweiten Abstand (b) aufweisen, der mindestens 2,5-mal so groß ist wie der erste Abstand (a), wobei zwischen jeweils zwei benachbarten ersten Permanentmagneten (16) ein Polstück (17) angeordnet ist, dessen Querschnitt zum Luftspalt (14) zunimmt.
Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abstand (b) höchstens 3,5-mal so groß ist wie der erste Abstand (a) .
Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (h) des Trapezes (19) des Querschnitts der ersten Permanentmagnete (16) rechtwinkelig zu der Anordnungsrichtung (R) größer ist als der zweite Abstand (b).
Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Trapezes (19) des Querschnitts der ersten Permanentmagnete (16) mindestens 4-mal so groß ist wie der erste Abstand (a).
Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Trapezes (19) des Querschnitts der ersten Permanentmagnete (16) höchstens 6-mal so groß ist wie der erste Abstand (a).
Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen eines Polstücks (17) mindestens 2-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten (16).
Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen eines Polstücks (17) höchstens 3-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten (16).
Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden unmittelbar an ein Polstück (17) angrenzenden ersten Permanentmagnete (16) gegensinnig polarisiert sind.
Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder erste Permanentmagnete (16) zwei entgegengesetzte Anlageflächen (24) aufweist, wobei die Anlageflächen (24) an jeweils einem Polstück (17) anliegt.
Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Polstück (17) zwei entgegengesetzte Gegenanlageflächen (25) aufweist, an denen jeweils ein unmittelbar benachbarter erster Permanentmagnet (16) anliegt.
Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 7 und nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Anlagefläche (24) und/oder jede Gegenanlagefläche (25) gegenüber einer Querrichtung (Q), die rechtwinkelig zur Anordnungsrichtung (R) ausgerichtet ist, einen Neigungswinkel (α) aufweist, der im Bereich von 5° bis 20° liegt.
Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlagefläche (24) und eine daran anliegende Gegenanlagefläche (25) denselben Neigungswinkel (α) aufweisen.
Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polstücke (17) an ihrer an den Luftspalt (14) angrenzenden Seite voneinander getrennt ausgebildet sind.
Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Permanentmagnete (16) frei von einer Haftvermittlung in Zwischenräume (23) zwischen den Polstücken (17) eingesetzt sind.
Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kopplungsteil (13) mehrere in Anordnungsrichtung (R) nebeneinander angeordnete zweite Permanentmagnete (30) aufweist.