DE102020001845A1 - Method for improving and optimizing power transmission with a magnetic gear - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Verbesserung und Optimierung von übertragenen Leistungen mit einem Magnetgetriebe zur Anwendung in Luft -, Wasser -,und erdgebundenen Antrieben.Process for the improvement and optimization of transmitted power with a magnetic gear for use in air, water and ground-based drives.
Description
Stand der TechnikState of the art
Es ist bekannt, dass Magnetgetriebe vorteilhaft eingesetzt werden können, um Leistungen ohne direkten mechanischen Kontakt zu übertragen.It is known that magnetic gears can be used to advantage in order to transmit power without direct mechanical contact.
In der
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In der
In diesen Anwendungen werden die besonderen Eigenschaften der kontaktlosen Magnetfeldkopplung genutzt um Leistungen zu übertragen und die Rotationsgeschwindigkeit zu erhöhen.In these applications, the special properties of contactless magnetic field coupling are used to transmit power and increase the speed of rotation.
Physikalischer HintergrundPhysical background
Mechanische Getriebe bestehen aus zwei rotierenden Rädern, die im direkten Kontakt Leistung austauschen. Hierbei wird die Leistung im Berührungspunkt ausgetauscht und sie ist stets auf der Antriebsseite und der Abtriebsseite gleich, verringert durch die Verluste über Lager und Kontaktreibung.Magnetgetriebe haben die besonderen Eigenschaften, dass sie kontaktlos Leistung übertragen und keine Reibungsverluste auftreten.Mechanical gears consist of two rotating wheels that exchange power in direct contact. Here, the power is exchanged at the point of contact and it is always the same on the drive side and the output side, reduced by the losses via bearings and contact friction. Magnetic gears have the special properties that they transmit power without contact and there are no friction losses.
Aus der genauen Analyse des Bewegungsvorganges kann man aber noch Eigenschaften ableiten. Jeder rotierende Körper speichert eine bestimmte Rotationsenergie. Diese ist proportional dem Trägheitsmoment und dem Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit. Wird durch die unterschiedliche Zahl der Magnete auf den Antriebsrotationskörper und dem Abtriebsrotationskörper z.B. eine Verdopplung der Rotationsgeschwindigkeit erreicht, dann müsste die eingesetzte Primärenergie das Vierfache sein. Dies gilt es zu bestätigen.However, properties can still be derived from the precise analysis of the movement process. Every rotating body stores a certain rotational energy. This is proportional to the moment of inertia and the square of the rotation speed. If, for example, the rotational speed is doubled due to the different number of magnets on the drive rotation body and the output rotation body, then the primary energy used would have to be four times as much. This has to be confirmed.
Dazu betrachten wir zunächst die Bewegungsvorgänge bei der magnetischen Anziehung und Abstoßung. Gleichnamige Polen stoßen sich ab und ungleichnamige ziehen sich an. Dies wird mathematisch mit dem Coulombschen Abstandsgesetz, welches für die Elektrostatik auf der Basis von Kugelpotentialen abgeleitet wurde, beschrieben. Danach ist die Kraft zwischen zwei Potentialen proportional dem Produkt die Potentiale und umgekehrt dem Quadrat des Abstandes. Für Magnete gilt diese Beziehung nur bei einer Interaktion längs der idealen Wirkverbindungslinie. Dies ist für die Anziehung immer gegeben, denn Magnete ziehen sich immer entlang dieser Verbindungslinie an. Bei der Abstoßung beobachtet man aber zwei Bewegungsvorgänge, eine Rotation um 180° und direkt danach die Anziehung beider Beide Bewegungsvorgänge scheinen nicht voneinander trennbar zu sein. Das bedeutet, die Bewegung wird immer, analog zur Anziehung mit dem absoluten energetischen Minimum beendet.To do this, we first consider the motion processes involved in magnetic attraction and repulsion. Poles with the same name repel each other and those with different names attract each other. This is described mathematically with Coulomb's law of distance, which was derived for electrostatics on the basis of spherical potentials. According to this, the force between two potentials is proportional to the product of the potentials and inversely to the square of the distance. For magnets, this relationship only applies to an interaction along the ideal functional connection line. This is always the case for attraction, because magnets always attract each other along this connecting line. With the repulsion one observes two movement processes, a rotation by 180 ° and immediately afterwards the attraction of both. The two movement processes do not seem to be separable from each other. This means that the movement is always ended, analogous to the attraction, with the absolute energetic minimum.
Bewegt man aber einen Führungsmagneten in einem Winkel > 10° zu einen Probemagneten, dann stellt man in einer größeren Entfernung eine spontane Drehung um 180° fest, die nicht sofort mit der Anziehung beendet wird. Diese Fliprotation läuft spontan ab, sie ist eine Rotation um den Schwerpunkt. Im klassischen Sinne wird keine Arbeit geleistet, da der Schwerpunkt nicht bewegt wird.However, if you move a guide magnet at an angle> 10 ° to a test magnet, you will notice a spontaneous rotation of 180 ° at a greater distance, which does not stop immediately with the attraction. This flip rotation happens spontaneously, it is a rotation around the center of gravity. In the classic sense, no work is done because the center of gravity is not moved.
Übersetzt man diesen spontanen Flipeffekt in eine Getriebeanordnung mit zwei rotierenden Körper, dann stellt man fest, das der Abtrieb zunächst verzögert dem Antrieb folgt, bei einem bestimmten Punkt quasi ein Kräftegleichgewicht besteht und von diesem Punkt beginnend die Fliprotation spontan um ca. 180° das System wieder in eine stabile Position bringt.If you translate this spontaneous flip effect into a gear arrangement with two rotating bodies, you notice that the output initially follows the drive with a delay, at a certain point there is a kind of equilibrium of forces and, starting from this point, the system spontaneously rotates by approx. 180 ° brings it back into a stable position.
Die Beziehungen physikalischer Bewegungsvorgänge wird am Klarsten mit dem Noether Theorem ausgedrückt, wonach
„zu jeder kontinuierlichen Symmetrie eines physikalischen Systems eine Erhaltungsgröße gehört‟The relationships between physical processes of motion are most clearly expressed with the Noether theorem, according to which
"Every continuous symmetry of a physical system has a conserved quantity"
Aus der Homogenität der Zeit folgt der Energieerhaltungssatz. Das bedeutet jeder Bewegungsablauf kann beliebig begonnen und beliebig gestoppt werden. Jedes mechanische Getriebe zeigt diese Eigenschaften. Ein Magnetgetriebe zeigt unter bestimmt Voraussetzungen diese Eigenschaft nicht!The law of conservation of energy follows from the homogeneity of time. This means that every movement can be started and stopped at will. Every mechanical transmission shows these properties. A magnetic gearbox does not show this property under certain conditions!
Aus der Homogenität des Raumes folgt der Drehimpulserhaltungssatz. Leitet man diesen Satz aus der zeitlichen Ableitung des Drehmomentes ab, so ergibt sich wegen der vektoriellen Größe des Drehimpulses und der Anwendung der Produktregel ein zusätzlicher vektorieller Term, der im Falle von Zentralkräften immer Null ist. Bei einem mechanischen Getriebe wirken immer Zentralkräfte. Im Falle eines Magnetgetriebes ist dies nicht allgemein gegeben, da der Kraftmittelpunkt zwischen den beiden Rotationskörper in einem größeren Abstand zueinander ist und es sich so aus der Ideallinie bewegt.The conservation of angular momentum follows from the homogeneity of space. If one derives this theorem from the time derivative of the torque, because of the vectorial magnitude of the angular momentum and the application of the product rule, there is an additional vectorial term that is always zero in the case of central forces. Central forces always act in a mechanical transmission. In the case of a magnetic gear, this is not generally the case, since the center of force between the two rotating bodies is at a greater distance from one another and it thus moves out of the ideal line.
Die separaten Magnete tauschen ihre Energie ständig mit dem umgebenden Raum aus. Das System starte starten im Zustand minimaler magnetischer Raumenergie. Gegenüberliegende Gegenpole bilden weitestgehend ein geschlossenes Magnetfeld. Beim Drehen des Antriebes verändert sich der Kräftemittelpunkt und die Feldlinien beginnen sich zu separieren. Die magnetische Raumenergie steigt. Am Beginn des Flipeffektes ist die gespeicherte magnetische Raumenergie maximal. Beide Systeme bilden selbständige geschlossene Magnetlinien aus, die dann durch den spontanen Flipeffekt wieder zu einem weitgehend vereinheitlichten System vereinigt werden. Wenn sich am Beginn des Flipeffektes gegenpolige Magnete gegenüberstehen, wird ein zusätzliches Drehmoment den gerade aktiven Abtriebsmagneten in eine neue stabile Position drängen. Diese zusätzliche Drehmoment, kann vorteilhaft genutzt werden.The separate magnets constantly exchange their energy with the surrounding space. That System start start in the state of minimal magnetic space energy. Opposite poles form a closed magnetic field as far as possible. When the drive is turned, the center of force changes and the field lines begin to separate. The magnetic space energy increases. At the beginning of the flip effect, the stored magnetic space energy is at its maximum. Both systems form independent closed magnetic lines, which are then reunited to a largely unified system through the spontaneous flip effect. If at the beginning of the flip effect magnets of opposite polarity are facing each other, an additional torque will push the currently active output magnet into a new stable position. This additional torque can be used to advantage.
AusführungsbeispielEmbodiment
Zum experimentellen Nachweis der Nutzung des Flipeffektes wurde ein schwimmfähiger Körper mit einen kleinen BLDC Motor bestückt, der über eine Antriebswelle eine Wasserschraube in Rotation versetzt. Es wurde die Geschwindigkeit des Vehikel in einem Rundkurs und die Spannung sowie der Strom gemessen. Dann wurde ein kleines Magnetgetriebe mit dem Übersetzungsverhältnis 1:2 zwischen Motor und Antriebswelle montiert, wobei die Rotationskörper den gleichen Durchmesser hatten. In der klassischen Betrachtungsweise müsste die Übersetzung von 1:2 , also eine Verdopplung der Rotationsgeschwindigkeit, eine Vervierfachung der Rotationsenergie zur Folge haben, und die Primärleistung ebenfalls vervierfacht werden.For the experimental proof of the use of the flip effect, a buoyant body was equipped with a small BLDC motor, which sets a water screw in rotation via a drive shaft. The speed of the vehicle on a circuit and the voltage and current were measured. Then a small magnetic gear with a gear ratio of 1: 2 was mounted between the motor and the drive shaft, the rotating bodies having the same diameter. In the classic approach, a ratio of 1: 2, i.e. a doubling of the rotational speed, would have to result in a four-fold increase in the rotational energy, and the primary power would also have to be quadrupled.
Das experimentelle Ergebnis ist in
Durch Änderung der Versuchsparameter kann man Übersetzungen von 1:3 bis 1: 4 und mehr realisieren.By changing the test parameters, gear ratios from 1: 3 to 1: 4 and more can be achieved.
Zeichnungen werden nachgereicht.Drawings will be submitted later.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- DE 000003814455 A1 [0002]DE 000003814455 A1 [0002]
- DE 000029620114 U1 [0003]DE 000029620114 U1 [0003]
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DE29620114U1 (en) | 1996-11-19 | 1997-01-16 | Lindner, Jürgen, Dr., 67550 Worms | Spindle with magnetic gear |
DE102018205404A1 (en) | 2018-04-11 | 2019-10-17 | Hyundai Motor Company | PISTON ARRANGEMENT AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
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