DE1297757B

DE1297757B - Magnetisches Getriebe

Info

Publication number: DE1297757B
Application number: DE1965M0063742
Authority: DE
Inventors: Reese Glenn Arthur
Original assignee: Magnavox Co
Current assignee: Philips North America LLC
Priority date: 1965-01-09
Filing date: 1965-01-09
Publication date: 1969-06-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Getriebe mit drei koaxial zueinander angeordneten Gliedern, von denen mindestens zwei unabhängig voneinander drehbar sind und ein erstes und zweites jeweils Ringe aus nicht im Eingriff stehenden, magnetisch leitfähigen Zähnen tragen, die Bereiche von abwechselnd hohem und niedrigem magnetischem Widerstand bilden, wobei die Zähnezahlen an den zwei Gliedern unterschiedlich sind, so daß bei einer relativen Drehung zwischen diesen Gliedern ein oder mehrere Umfangsbereiche, bei denen sich die Zähne beider Glieder in Ausrichtung befinden, ebenfalls relativ zu diesen Gliedern drehen und wobei ferner das dritte Glied wenigstens einen magnetisch leitfähigen Abschnitt von begrenztem bogenförmigem Ausmaß aufweist und entweder das erste oder dritte Glied permanent magnetisiert oder mit einer Wicklung versehen ist, die das Glied aufmagnetisiert, so daß ein magnetisches Feld erzeugt wird, welches den genannten Umfangsbereich (-bereiche) mit dem Abschnitt (Abschnitten) des dritten Gliedes ausgerichtet hält.
Magnetische Getriebe mit drei relativ zueinander bewegbaren, koaxial angeordneten Gliedern, von denen wenigstens zwei Ringe aus magnetisch leitfähigen Zähnen tragen, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Die magnetisch leitfähigen Zähne und damit die magnetischen Abschnitte verlaufen jedoch bei diesen bekannten Anordnungen in axialer Richtung durchgehend von einer Stirnseite zur ; anderen der betreffenden Glieder.
Die bekannten magnetischen Getriebe sind dadurch hinsichtlich einer einwandfreien Ausrichtung der drei Glieder empfindlich, und auch die dynamische Auswuchtung der Getriebeanordnung wird dadurch unter Umständen ungünstig beeinflußt. Die Folge derartiger Fehlausrichtungen ist eine verschlechterte Drehmomentübertragung.
Es ist zwar auch eine zweigliedrige permanentmagnetische Wellenkupplung mit koaxialen Wellen und axial versetzten Zähnepaaren bekannt, deren Zähneanordnung jedoch nicht ohne weiteres auf ein dreigliedriges magnetisches Geschwindigkeitswechselgetriebe übertragbar ist, das einen völlig anderen Kraftlinienverlauf erfordert.
Bei einer weiteren bekannten elektromagnetischen Kupplung mit Rotor und Stator sowie axial versetzten Zähnepaaren sind magnetische Rollen zwischen dem Rotor und Stator vorgesehen, die jedoch die geforderte Ausrichtung kaum gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Mängel zu vermeiden und ein magnetisches Getriebe mit drei Gliedern zu schaffen, bei dem die Kupplung zwischen den verschiedenen Gliedern durch eine einwandfreie Ausrichtung derselben im Betrieb gegenüber bekannten Ausführungen verbessert ist, so daß relativ hohe Drehmomente übertragen werden können.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jedes erste und zweite Glied je zwei axial in Abstand voneinander angeordnete Ringe magnetischer Zähne besitzt und das dritte Glied mindestens zwei magnetisch leitfähige Abschnitte besitzt, die axial mit den axial in Abstand voneinander angeordneten Zahnringen des ersten und zweiten Gliedes ausgerichtet sind, so daß das magnetische Feld mindestens teilweise durch den einen der zwei Abschnitte des dritten Gliedes, den ausgerichteten Zähnen des ersten Paares von Ringen des ersten und zweiten Gliedes, den ausgerichteten Zähnen des zweiten Paares von Ringer des ersten und zweite Gliedes, den anderen zwei Abschnitten des dritten Gliedes und zurück zu dem einer. Abschnitt schließt. Dadurch werden mehrere Kraftlinienbahnen zu Kreisbahnen geschlossen, die derart verlaufen, daß die Ausrichtung der drei Glieder begünstigt wird und außerdem die dynamische Auswuchtung selbst dann gegeben ist, wenn geringe Abweichungen von der richtigen Ausrichtung vorliegen. Eine entsprechend hohe Kupplungsleistung ist die Folge. Das magnetische Getriebe gemäß der Erfindung ist ferner wirtschaftlich herstellbar, im Betrieb zuverlässig und enthält eine ruhig und schwingungsfrei arbeitende Antriebskette.
Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Getriebes gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine Querschnittsansicht eines Teils des Getriebes gemäß F i g. 1 im vergrößerten Maßstab sowie in einer Arbeits- oder Betriebsstellung, F i g. 3 eine der F i g. 2 ähnliche Schnittansicht, in der jedoch das Getriebe in einer unterschiedlichen Arbeitsstellung dargestellt ist, F i g. 4 einen Längsschnitt des in F i g. 1 gezeigten Getriebes, F i g. 5 eine der F i g. 4 ähnliche Schnittansicht einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung, F i g. 6 eine der F i g. 2 ähnliche Teilschnittansicht des Getriebes gemäß F i g. 5 in einer Arbeitsstellung, F i g. 7 eine der F i g. 3 ähnliche Ansicht des. abgeänderten Getriebes gemäß F i g. 5 in einer anderen Arbeitsstellung.
Der Ausdruck »Zähne« soll für alle Anordnungen gelten, die Bereiche von abwechselnd hohem und niedrigem magnetischem Widerstand für den magnetischen Kraftfluß rund um das erste oder zweite Glied darstellen.
Bei sämtlichen anschließend beschriebenen Ausführungsbeispielen stellt der »Stator« das erste Glied, der »langsam umlaufende Rotor« das zweite Glied und der »schnell umlaufende Rotor« das dritte Glied dar.
In den F i g. 1 bis 4 ist ein Getriebe 10 mit einer schnell umlaufenden Welle 12 und einer langsam umlaufenden Welle 14 gezeigt. Das Getriebe 10 kann zwischen einer passenden Antriebsvorrichtung, z. B. einem Elektromotor (nicht gezeigt) und einer anzutreibenden Einrichtung (nicht gezeigt) eingeschaltet werden. Wenn die anzutreibende Einrichtung durch einen schnell umlaufenden Motor mit einer niedrigen Drehzahl angetrieben werden soll, so arbeitet das Getriebe 10 als Untersetzungsgetriebe, wobei die schnell umlaufende Welle 12 die Antriebswelle darstellt und unmittelbar mit der Abtriebswelle des schnell umlaufenden Motors verbunden ist und die langsam umlaufende Welle 14 die Abtriebswelle darstellt und mit der anzutreibenden Einrichtung gekuppelt ist.
Wenn umgekehrt die Einrichtung mit einer hohen Drehzahl angetrieben werden soll, so ist die langsam umlaufende Welle 14 die Eingangswelle oder die Antriebswelle, und die schnell umlaufende Welle 12 stellt die Abtriebswelle dar.
Auf dem inneren Ende der schnell umlaufenden Welle 12 ist ein schnell umlaufender Rotor 16 verkeilt oder auf andere Weise befestigt, der sich mit der Welle stets gemeinsam dreht. Der Rotor 16 kann verschiedene Formen aufweisen. Er weist jedoch im Ausführungsbeispiel eine zentrale Nabe 18 auf, die konzentrisch zur Welle 12 angeordnet ist. Von der Nabe 18 erstrecken sich vier Arme 20, 22, 24 und 26 radial nach außen. Die Arme sind in zwei Sätzen 28 und 30 zusammengefaßt, die an diametral entgegengesetzten Seiten der Nabe 18 angeordnet sind. Die Arme 20, 22, 24 und 26 sind einander gleich und weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. die Arme eines jeden einzelnen Satzes 28 und 30 sind ferner durch einen Luftspalt 32 voneinander getrennt. Das äußere Ende der Arme geht in zylindrische Abschnitte 34, 35, 38 und 40 über, die konzentrisch zur Drehachse liegen und einen begrenzten Winkel von beispielsweise 90° umfassen, wodurch jederzeit die von den Abschnitten umstrichene Fläche gleichmäßig unter den Flächen der Abschnitte 34, 36, 38 und 40 und den dazwischenliegenden Luftspalten aufgeteilt wird.
Am inneren Ende der langsam umlaufenden Welle 14 ist ein hohler, langsam umlaufender Rotor 42 vorgesehen, der unmittelbar an dem inneren Ende befestigt ist. Das Innere des langsam umlaufenden Rotors 42 umfaßt eine zylindrische Innenfläche 44, die sich über den schnell umlaufenden Rotor 16 erstreckt, so daß der Rotor 16 sich innerhalb des Rotors 42 befindet. Der Innendurchmesser der Fläche 44 ist vorzugsweise nur geringfügig größer als der Außendurchmesser der Fläche, die von den Abschnitten 34, 36, 38 und 40 umstrichen wird, wobei ein schmaler Luftspalt 46 zwischen den Armen 20 bis 26 und der Fläche 44 frei gelassen ist. Dieser Luftspalt 46 braucht lediglich so groß zu sein, daß ein ungehinderter Lauf zwischen den Polarmen 20 bis 26 und dem langsam umlaufenden Rotor 42 gewährleistet ist.
Die Außenseite des langsam umlaufenden Rotors 42 ist zylinderförmig und liegt konzentrisch zur langsam umlaufenden Welle 14. Diese äußere Fläche ist mit zwei Sätzen 56 und 58 aus Zähnen 52 versehen.
Die Zähne können an der Innenseite des Rotors 42 ausgearbeitet sein, oder sie können, wie in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist, von dem Rotor 42 abstehen. Im Ausführungsbeispiel weisen die Zähne 52 rechteckige Formen sowie abgeflachte Oberseiten 53 und rechteckige Zahnlücken 55 auf. Die Zähne 52 sind so angeordnet, daß sie einen eigenen Satz 56 und 58 für die einzelnen Abschnitte der Sätze 28 und 30 der Arme an dem Rotor 16 bilden. Der Satz 56 ist mit den Flächen 34 und 38 axial ausgerichtet, während der Satz 58 mit den Flächen 36 und 40 axial ausgerichtet ist.
Ein Stator 60 umfaßt die schnell und langsam umlaufenden Rotoren 16 und 42 und weist eine zylindrische äußere Fläche 62 auf, die konzentrisch zu den ; beiden Wellen 12 und 14 liegt. Der Stator 60 ist mit einer ausreichenden Festigkeit an einem ortsfesten Rahmen verankert, um zu gewährleisten, daß der Stator 60 als ein Rückschlußglied wirkt.
Der Stator 60 weist ferner eine innere Fläche 64 mit voneinander getrennten Sätzen 66 und 68 aus Zähnen 70 auf, die so angeordnet sind, daß sie dekkungsgleich zu den Sätzen 56 und 58 der Zähne 52 auf der Außenseite des langsam umlaufenden Rotors 42 liegen.
Die Zähne 70 stehen nicht in Berührung mit irgendwelchen anderen Gliedern oder Zähnen und kämmen auch nicht mit solchen. Statt dessen sind sie mit den Zähnen 52 magnetisch gekuppelt, und sie können von beliebiger Form sein, um diesem Zweck zu entsprechen.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, entsprechen sie den Zähnen 52 der ersten Sätze 56 und 58. Wenn ein Zahn 52 mit einem Zahn 70 genau ausgerichtet ist bzw. fluchtet, so ist zwischen den einander zugekehrten Zahnenden nur ein sehr schmaler Luftspalt 76 vorhanden, der gerade so groß ist, daß der Rotor 42 ungehindert innerhalb des Stators 60 umlaufen kann. Es ist ferner erwünscht, daß die einander zugekehrten Seiten der Zähne eine möglichst große Fläche einnehmen, um die Ausbildung eines maximalen magnetischen Kraftflusses zwischen den Zähnen zu ermöglichen.
Wenn auch die Sätze 56-58 und 66-68 der Zähne 52 und 70 axial zueinander ausgerichtet sind, ist doch die Zahl der Zähne in den inneren Sätzen 56 und 58 von der Zahl der Zähne der äußeren Sätze 66-68 verschieden.
Wenngleich das Ausmaß dieses Unterschiedes beliebig groß sein kann, so weist doch beim Ausführungsbeispiel jeder der inneren Sätze 56 und 58 102 Zähne auf, während jeder äußere Satz 66-68 an dem Stator 60 100 Zähne besitzt. Daraus geht hervor, daß nur zwei Zähne eines jeden einzelnen Satzes mit den entsprechenden Zähnen des anderen Satzes genau ausgerichtet werden können. Diese ausgerichteten oder deckungsgleichen Zähne befinden sich an diametral entgegengesetzten Seiten des Rotors 42 und des Stators 60. Die übrigen Zähne 52 und 70 sind fortschreitend voneinander versetzt, bis schließlich die Zähne auf dem Durchmesser, der unter einem rechten Winkel zu dem Durchmesser der ausgerichteten Zähne steht, vollständig gegeneinander versetzt und auf diese Weise durch einen verhältnismäßig großen Luftspalt voneinander getrennt sind.
Um die Zähne 52 und 70 in der gewünschten Weise ausgerichtet zu halten, werden magnetische Felder erzeugt, deren Kraftlinien durch die ausgerichteten Sätze der Zähne hindurch verlaufen. Diese Kraftlinien erzeugen wiederum an den Zähnen Kräfte, die die Zähne so einzustellen suchen, daß zwischen diesen ein minimaler Luftspalt vorhanden ist.
Zur Erzeugung dieser Felder ist der schnell umlaufende Rotor 16 so aufmagnetisiert, daß die Abschnitte 34, 36, 38 und 40 auf den Enden der Arme 20, 22, 24 und 26 Polflächen darstellen, wobei die magnetischen Kraftlinien unter einem rechten Winkel zu den Polflächen austreten. Dieser Rotor kann elektromagnetisch ausgeführt sein; im Ausführungsbeispiel besteht der Rotor jedoch aus einem Permanentmagnet, der so aufmagnetisiert ist, daß die Enden der Arme 22 und 26 Nordpolseiten darstellen, während die Enden der Arme 20 und 24 Südpolseiten sind. Die Arme sind ausreichend weit voneinander beabstandet, um sicherzustellen, daß ein verhältnismäßig großer magnetischer Widerstand zwischen den benachbarten Polflächen vorhanden ist. Der Rotor 42 und insbesondere der Abschnitt 76 zwischen den Zahnsätzen bestehen aus einem Material, das einen hohen magnetischen Widerstand besitzt. Der Stator 60 weist einen Aufnahme- oder Halterungstei178 aus einem magnetischen leitfähigen Material, z. B. Weicheisen, auf.
Hieraus geht hervor, daß mindestens ein geschlossener magnetischer Kreis gebildet wird, der die Arme 20 und 22 oder 24 und 26 des Rotors 16, die Sätze 56-58 und 66-68 der Zähne 52 und 70 sowie den Halterungsteil 78 des Stators 60 umfaßt. Die Zwischenräume zwischen den Polflächen und den Zahnsätzen sind, verglichen mit dem Raum zwischen den Polflächen und dem Stator, genügend groß bzw. breit, um zu verhindern, daß unmittelbar zwischen den Polflächen irgendein merklicher Streufluß auftritt. Folglich verläuft der magnetische Kraftfluß im wesentlichen in radialer Richtung zwischen den Zähnen und erzeugt Kräfte, die die Zähne der beiden Sätze in ausgerichteter Lage zu halten suchen. Da jedoch die Zahnsätze 56 und 58 verschiedene Zähnezahlen gegenüber den Sätzen 66 und 68 aufweisen, ist nur eine begrenzte Zahl von Zähnen genau aufeinander ausgerichtet, nämlich im Ausführungsbeispiel zwei Stück. Da ferner die Kraftlinien rund um die Polflächen 34, 36, 38 und 40 konzentriert sind und da jede Polfläche sich über einen Bogenwinkel von nur 90° erstreckt, treten an den Zähnen in dem Bereich der Polflächen Kräfte auf, die die Zähne in. Bezug aufeinander auszurichten suchen. In den Bereichen zwischen den Abschnitten, an denen keine Polflächen vorhanden sind, ist nur ein schwacher oder gar kein magnetischer Kraftfluß vorhanden. An den Zähnen in diesen Zonen greifen daher keine Kräfte an, die diese auszurichten suchen.
Folglich werden (vgl. F i g. 2), wenn nur ein kleines oder gar kein Drehmoment auf den langsam umlaufenden Rotor ausgeübt wird, die Zähne in der Mitte eines jeden einzelnen magnetischen Quadranten, der von einer der Polflächen 34 bis 40 umspannt wird, mit einem Zahn in dem gegenüberliegenden Satz ausgerichtet. Die übrigen Zähne in dem Quadranten werden, in Abhängigkeit von dem Ausmaß ihrer Versetzung, von den ausgerichteten Zähnen fortschreitend weiter auseinandergerückt. In dem Bereich, in dem kein magnetischer Kraftfluß auftritt, sind sie vollständig gegeneinander versetzt.
Wenn ein Drehmoment an dem langsam umlaufenden Rotor angreift, so verschieben sich die Sätze 56 und 58 der Zähne 52 auf dem langsam umlaufenden Rotor 16 relativ zu den Sätzen 66 und 68 der Zähne 70 auf dem Stator 60. Diese Kraft sucht das magnetische Feld abzulenken und das Paar der ausgerichteten Zähne von der Mitte der Polflächen wegzurücken. Wenn diese Ablenkung und diese Verschiebung zunimmt, so vergrößert sich das Drehmoment, das an dem Rotor 42 angreift. Wenn die Paare der ausgerichteten Zähne hinter die rückwärtigen Ränder der Polflächen 34 bis 40 gelangen, so ist zwischen den ausgerichteten Zähnen kein magnetischer Kraftfluß vorhanden. Die Drehmomentübertragung fällt dann ab, bis ein neues Zähnepaar in Bezug aufeinander ausgerichtet ist.
Beim Betrieb des Getriebes dreht sich der schnell umlaufende Rotor 16 innerhalb des Rotors 42 und des Stators 60. Hierbei wandern die magnetischen Felder der Polflächen 34 bis 40 über die verschiedenen Zähnesätze und halten bestimmte Paare der Zähne 52 und 70 in Bezug aufeinander ausgerichtet. Wenn das magnetische Feld mit dem Rotor 16 umläuft, verbleibt das besondere ausgerichtete Zähnepaar in demselben Abschnitt des magnetischen Feldes und läuft demzufolge damit um. Wenn daher das magnetische Feld umläuft, werden die Zähne 52 in den Sätzen 56 und 58 fortschreitend mit den Zähnen 70 der Sätze 66 und 68 ausgerichtet. Sobald das magnetische Feld über einen Bogenwinkel gedreht worden ist, der die 102 Zähne umfaßt, (das ist eine vollständige Umdrehung) hat sich der Rotor 42 so weit gedreht, daß 102 Zähne 70 auf diesen ausgerichtet waren. Da der Stator 60 nur 100 Zähne hat, wird der Rotor 42 um das Ausmaß zweier Zähne 70 gedreht.
Wenn die Zahl der Zähne in jedem Satz 56-58 und 66-68 gleich wäre, so würden sämtliche Zähne 52 und 70 stets aufeinander ausgerichtet sein und das umlaufende magnetische Feld würde keine Bewegung des langsam umlaufenden Rotors 42 bewirken. Wenn jedoch unterschiedliche Zähnezahlen vorhanden sind und nur ein Zähnepaar in jedem Satz ausgerichtet ist, so erfolgt, wenn das magnetische Feld umläuft, die Ausrichtung der Zähne durch eine Kreisbewegung mit der gleichen -Geschwindigkeit. Folglich dreht sich der langsam umlaufende Rotor mit einer wesentlich kleineren Drehzahl. Seine Drehzahl wird tatsächlich im Verhältnis des Unterschiedes zwischen der Zähnezahl in den zwei Sätzen und der Zähnezahl in dem kleinsten Satz verringert. Wenn beispielsweise der äußere Satz 66-68 der Zähne 70 100 Zähne hat und der innere Satz 56-58 102 Zähne aufweist und das magnetische Feld eine volle Umdrehung durchführt, wo werden die 102 Zähne des langsam umlaufenden Rotors 42 fortschreitend auf 102 Zähne des schnell umlaufenden Rotors ausgerichtet. Da hier zwei Zähne mehr als in dem kompletten äußeren Satz vorhanden sind, wird der langsam umlaufende Rotor um einen Bogenwinkel weiterbewegt, der gleich ist demjenigen, der von den zwei Zähnen l/so einer Umdrehung eingeschlossen wird. Es sind daher 50 Umdrehungen des schnell umlaufenden Rotors erforderlich, damit der langsam umlaufende Rotor eine volle Umdrehung ausführen kann. Durch Verkleinerung des Unterschiedes zwischen den Zähnezahlen in den Sätzen kann das Ausmaß der Drehzahlherabsetzung erhöht werden. Wenn z. B. der eine Satz 500 Zähne und der andere 502 Zähne aufweist, so wird eine Drehzahlverminderung von 250: 1 erzeugt.
Es ist ersichtlich, daß die vorstehende Drehzahländerung geschaffen wird, ohne daß eine physische oder direkte mechanische Berührung zwischen irgendeinem der Zähne 52 oder 70 stattfindet. Da keine Berührung vorhanden ist, ist es auch nicht erforderlich, die Zähne zu schmieren, und es tritt auch kein Verschleiß der Zähne auf, der zu einem Ausfall führen könnte. Da die mechanische Berührung fehlt, werden auch keine störenden Geräusche oder Schwingungen erzeugt, die bei den bekannten Getrieben auftreten.
Es wird weiter bemerkt, daß durch Vermeidung des Eingriffs der Zahnradflächen es auch überflüssig ist, die Zähne oder deren Flächen genau maschinell zu bearbeiten. Es hat sich gezeigt, daß die Zähne mit einer ausreichenden Genauigkeit herstellbar sind, wenn sie lediglich gegossen werden.
Da weiter an der Welle 14 nur ein schwaches oder gar kein Drehmoment angreift, tritt auch nur eine entsprechend schwache oder gar keine Ablenkung des magnetischen Feldes auf. Folglich ist das Paar von Zähnen, die genau aufeinander ausgerichtet sind, in radialer Ausrichtung in bezug auf die Mitte der Polflächen 34 bis 40 angeordnet, wie dies in der F i g. 2 gezeigt ist. Die Verrückung oder Verschiebung der übrigen Zähne in dem Quadranten erfolgt symmetrisch zur Mitte der Polflächen und die Mitte der Magnetfelder. Wenn ein Drehmoment an der Welle 14 angreift, was der Fall ist, wenn eine angeschlossene Einrichtung anzutreiben ist, so wird das Paar der ausgerichteten Zähne von der Mitte der Polflächen 34 bis 40 verrückt, und die magnetischen Felder werden abgelenkt. Wenn sich das Ausmaß des Drehmomentes, das zwischen den zwei Rotoren 16 und 42 übertragen wird, erhöht, so erhöht sich auch das Ausmaß der Verschiebung oder Versetzung zwischen der Mittellinie der Polflächen 34 bis 40 und der ausgerichteten Zähne 52 und 70. Wenn das für das Getriebe vorgesehene maximale Drehmoment erreicht ist, so nimmt das Paar der ausgerichteten Zähne die in der F i g. 3 gezeigte Lage ein. In dieser Lage befinden sich die Paare von ausgerichteten Zähnen 52 und 70 neben den rückwärtigen Rändern der Polflächen, wobei die Zähne neben dem vorderen Rand der Polflächen vollständig gegeneinander verschoben sind. Wenn das Drehmoment diesen maximalen Wert überschreitet, wird das magnetische Feld weiter abgelenkt, so daß die ausgerichteten Zähne über die rückwärtigen Ränder der Polflächen hinausgelangen. Sobald dieser Zustand auftritt, fällt die Anziehungskraft zwischen den Sätzen 56-58 und 66-68 der Zähne 52 und 70 ab, bis ein anderes Zähnepaar richtig aufeinander ausgerichtet ist. Wenn daher der geforderte Drehmomentunterschied die Leistungsfähigkeit des Getriebes 10 überschreitet, so bewegen sich die Paare der ausgerichteten Zähne fortschreitend quer über die Polflächen und über deren rückwärtigen Ränder hinaus nach hinten.
Bei einer überlastung dreht sich somit der langsam laufende Rotor 42 mit einer verringerten Drehzahl, oder er kann sogar stillstehen. Da keine formschlüssige mechanische Verbindung, wie z. B. ineinandergreifende Zahnradzähne, vorhanden ist, erleidet das Getriebe 10 auch keinen Schaden. Hinzu kommt, daß das an der anzutreibenden Einrichtung angreifende Drehmoment nicht die maximale Genze überschreiten kann, so daß selbst, wenn die Einrichtung festgelaufen oder blockiert ist, diese nicht beschädigt wird. Ferner wird die Belastung des Motors auf einen Wert begrenzt, der den Motor nicht überfordert und zu keiner Beschädigung führen kann. Hieraus ist ersichtlich, daß, selbst für den Fall, daß eine überlastung oder sogar ein Festlaufen der anzutreibenden Einrichtung auftritt, ein Schlupf entsteht, der beliebig lange andauern kann, ohne daß der Antriebsmotor, das Getriebe oder die anzutreibende Einrichtung beschädigt werden. Demzufolge kann das Getriebe als eine völlig bruchsichere Drehmomentbegrenzungseinrichtung selbst für die Fälle eingesetzt werden, in denen extrem große Drehmomente an der Abtriebswelle angreifen.
In den F i g. 5, 6 und 7 ist eine weitere abgeänderte Getriebeausführung 80 dargestellt. Dieses Getriebe 80 ist besonders dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die anzutreibende Einrichtung über einen extrem schnell umlaufenden Motor anzutreiben ist, oder für den Fall, daß sehr große Drehmomente auf die langsam umlaufende Welle auszuüben sind. Dieses Ausführungsbeispiel ist dem ersten insofern sehr ähnlich, als es gleichfalls einen schnell umlaufenden Rotor 82, einen langsam umlaufenden Rotor 84 und einen Stator 86 aufweist, die sämtlich in Bezug aufeinander konzentrisch angeordnet sind. Wenn dieses Getriebe als Untersetzungsgetriebe eingesetzt werden soll, so bildet eine schnell umlaufende Welle 88 die Antriebswelle, an die der Antriebsmotor angeschlossen ist, und eine langsam umlaufende Welle 90 wird mit der anzutreibenden Einrichtung verbunden.
Der schnell umlaufende Rotor 82 weist eine zentrale Nabe 92 auf, die unmittelbar an der schnell umlaufenden Welle 88 befestigt ist und sich stets mit dieser dreht. Ein Paar Arme 94 erstrecken sich von entgegengesetzten Seiten der Nabe 92 nach außen und bilden mit dieser einen Teil. Ein Flügel 96 ist am äußeren Ende eines jeden Armes 94 befestigt. Jeder Flügel 96 besteht aus magnetisch leitfähigem Material, z. B. aus Weicheisen, ist bogenförmig ausgebildet und erstreckt sich über einen Bogenwinkel von etwa 90°. Die äußere Fläche 98 eines jeden einzelnen Flügels 96 ist zylinderförmig und konzentrisch zur Achse der Welle 88 angeordnet.
Der schnell umlaufende Rotor 82 kann eine sehr einfache und leichte Anordnung darstellen, die ausreichend fest und mit hoher Genauigkeit dynamisch ausgewuchtet ist. Folglich ist dieser Rotor 82 dazu vorgesehen, mit extrem hohen Drehzahlen umzulaufen.
Der langsam umlaufende Rotor 84 weist eine Nabe oder Scheibe 100 auf, die unmittelbar an der langsam umlaufenden Welle 90 befestigt ist und mit dieser stets umläuft. An der Scheibe 100 ist eine Trommel oder ein Zylinder 102 befestigt, der auch mit der Scheibe ein Stück bilden kann. Dieser Zylinder 102 ist konzentrisch zu den Achsen der Wellen 88 und 90 rund um den schnell umlaufenden Rotor 82 angeordnet. Das Innere des langsam umlaufenden Rotors 84 bildet eine zylindrische Fläche 104, die ebenfalls konzentrisch zu den Wellen 88 und 90 verläuft, und zwischen den äußeren Flächen 98 der Flügel 96 und der Fläche 104 sind Luftspalte 106 vorgesehen.
Die Außenfläche des langsam umlaufenden Rotors 84 ist im wesentlichen zylinderförmig, sie trägt jedoch zwei Sätze 110 und 112 aus Zähnen 108, die durch einen Teil 114 voneinander getrennt sind, der einen hohen magnetischen Widerstand besitzt. Dieser Teil 114 ist so groß bemessen, daß er die Zähne 108 magnetisch voneinander isoliert. Die Zähne 108 sind ferner in Umfangsrichtung der Trommel 102 gleichmäßig voneinander beabstandet.
Die einzelnen Zähne 108 sind insofern denjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gleich, als sie magnetische Teile darstellen und nicht mit anderen Gliedern mechanisch im Eingriff stehen. Demzufolge können sie sich von der Außenseite des zylindrischen Teiles weg erstrecken, oder sie können an der Innenseite desselben vorgesehen sein. Sie können ferner jede beliebige Form, z. B. die rechteckige Form gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel haben. In der vorliegenden Ausführungsform sind sie jedoch dreieckförmig ausgebildet.
Der Stator 86 weist einen Ring auf, der konzentrisch um die zwei Rotoren angeordnet ist und diese umfaßt. Dieser Ring kann aus einem einzigen Teil bestehen oder er kann eine Anzahl gleicher Segmente umfassen, die miteinander verbunden sind, um eine einzige starre Anordnung zu bilden. Der Stator 86 besitzt eine Außenfläche 120 passender Form, die eine Verankerung an einem ortsfesten Rahmen ermöglicht, so daß sie stets in einer festen Lage gehalten werden kann.
Der Stator 86 besitzt weiter einen zylindrischen Grundteil 122, der konzentrisch zu den Drehachsen der Rotoren 82 und 84 liegt und aus einem Material mit niedrigem magnetischem Widerstand, z. B. aus Weicheisen, besteht, um ein magnetisches Kraftfeld von großer Stärke aufzunehmen. Ein Paar Flansche 126 und 128 erstrecken sich von entgegengesetzten Rändern des Grundteiles 122 radial nach innen und enden in zylindrischen Flächen 130 und 132, die koaxial zu den Rotoren 82 und 84 verlaufen. Die zwei Flansche 126 und 128 weisen eine Breite auf, die gleich ist der Länge der Zähne 108. Die Flansche 126 und 128 verlaufen ferner parallel zueinander und sind durch einen Zwischenraum voneinander getrennt, der so breit ist wie der Teil 114 zwischen den Zahnsätzen. Folglich fluchten die Flächen 130 und 132 an den inneren Enden der Flansche 126 und 128 mit den Sätzen der Zähne 108 und verlaufen in einem gleichmäßigen Abstand zu der Außenseite des Rotors 84.
Die Sätze 134 und 136 der Zähne 138 sind auf dem inneren Umfang der Flansche 126 und 128 ausgebildet, wobei die Zähne 138 die gleiche Form haben wie die Zähne 108 auf dem langsam umlaufenden Rotor 84. Folglich wird, wenn ein Paar der Zähne 108 und 138 in Bezug aufeinander ausgerichtet ist, zwischen ihren Scheitelstellen oder freien Enden ein sehr schmaler Luftspalt gebildet.
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die Zahl der Zähne 108 in den Sätzen 110 und 112 auf dem Rotor 84 von der Zahl der Zähne 138 in den Sätzen 134 und 136 auf dem Stator 86. Die Sätze 110 und 112 der Zähne 108 auf dem Rotor 84 können z. B. jeweils 100 Zähne aufweisen, während die Sätze 134 und 136 der Zähne 138 auf dem Stator 86 jeweils 102 Zähne umfassen können. Folglich können nur die freien Enden von zwei Zähnen in jedem Satz sich genau mit den freien Enden der Zähne des anderen Satzes decken. Diese zwei Paare von ausgerichteten Zähnen sind um 180° voneinander versetzt. Diejenigen Zähnepaare, die in der Mitte zwischen den ausgerichteten Zähnepaaren liegen, stehen mit ihren freien Enden den Zahnlücken in den entgegengesetzten Sätzen gegenüber. Die übrigen Zähne der Sätze sind in Abhängigkeit von ihrem Abstand zu den vollständig auseinandergerückten oder ausgerichteten Zähnen um ein verschiedenes Ausmaß gegeneinander versetzt.
Um ein magnetisches Feld zum Aufmagnetisieren der Zähne zu erzeugen, können der Stator 86 und/ oder die Flügel 96 aus Permanentmagneten bestehen, so daß die Flächen 98 der Flügel 96 als magnetische Polflächen wirken. Die resultierenden Kraftlinien verlaufen in radialer Richtung quer über die Luftspalte 140 und über die Zähne 108 und 138 und erzeugen an diesen Ausrichtungskräfte. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden jedoch die magnetischen Kraftfelder durch eine elektromagnetische Einrichtung hervorgerufen. Wenngleich der -Elektromagnet auf dem schnell umlaufenden Rotor 82 vorgesehen sein kann, so ist dies doch-für die Fälle nicht erwünscht, in denen der Rotor 82 mit extrem hohen Drehzahlen umläuft. Demzufolge sind in diesem Aus- i führungsbeispiel die Erregerwicklungen 146 der elektromagnetischen Einrichtung auf dem Stator 86 befestigt. Die Erregerwicklung 146 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den Stator 86, so daß sie Kraftlinien erzeugt, die radial durch die Flansche 126 und i 128 verlaufen und aus den Oberflächen austreten. Folglich wirkt der eine Flansch 126 als Nordpol während der andere Flansch 128 einen Südpol bildet. Ein Teil der Wicklung 146 ist in dem Raum zwischen den -zwei Flanschen 126 und 128 und ein anderer Teil auf der Außenseite des Stators 86 angeordnet. Es ist ersichtlich, daß, wenn die Wicklung 146 nicht erregt ist, auch kein magnetisches Feld erzeugt wird, und folglich keine Kräfte vorhanden sind, die die Zähne 108 und 138 auszurichten suchen. Die Folge ist, daß zwei Rotoren 82 und 84 unabhängig voneinander umlaufen können, wobei sie sich gegenseitig kaum oder gar nicht beeinflussen. Wenn jedoch die Wicklung 146 erregt wird, wird ein ringförmiges Kraftfeld um diese Wicklung herum erzeugt. Die Kraftlinien verlaufen quer über den Grundteil 122 und zwischen den durch die beiden Flansche gebildeten Polflächen. In den Bereichen, in denen die Flügel 96 fehlen, ist der magnetische Widerstand der Luftspalte zwischen den Flanschen sehr groß und die Kraftflußdichte sehr gering. Außerdem verläuft der Hauptteil des magnetischen Kraftflusses soweit wie möglich zwischen den Flanschen, und nur ein sehr geringer Kraftflußanteil tritt durch die Zähne 108 oder 138 hindurch. Es ist demzufolge nur eine kleine oder gar keine Kraft in den Abschnitten zwischen den Flügeln 96 vorhanden, die die Zähne 108 oder 138 in Ausrichtung ziehen könnte.
In den Bereichen, in denen die Flügel 96 vorhanden sind, verlaufen diese parallel zu dem Luftspalt zwischen den Flanschen. Auf diese Weise wird ein magnetischer Kreis gebildet, der sich von dem Nordpolflansch über die Sätze 110 und 134 der Zähne 108 und 138 und die dazwischenliegenden Luftspalte, über die Flügel und über die Sätze 112 und 136 der Zähne 108 und 138 und die dazwischenliegenden Luftspalte zurück in den Südpolflansch erstreckt. Da die Flügel 96 und sämtliche Zähne aus einem Material mit einem niedrigen magnetischen Widerstand, z. B. aus Weicheisen, bestehen, wird der magnetische Widerstand zwischen den Polflächen erheblich reduziert. Folglich ist die Kraftflußdichte in den Bereichen der Flügel 96 wesentlich höher als in den Abschnitten zwischen den Flügeln 96. Weiter verläuft der magnetische Kraftfluß in den Bereichen mit hoher Dichte vollständig durch die Sätze der Zähne 108 und 138 hindurch. Dadurch werden wiederum große Vorspannungskräfte erzeugt, die die Zähne in den Abschnitten der Flügel 96 in Ausrichtung miteinander zu halten suchen. Wie bereits erwähnt worden ist, ist es auf Grund des Unterschiedes zwischen den Zähnezahlen in den beiden Sätzen nur einem Zähnepaar in jedem Satz möglich, sich in den Bereichen der Flügel 96 genau auszurichten.
Um diese Ausführungsform des Getriebes als Untersetzungsgetriebe zu verwenden, ist die Welle 88 für den schnell umlaufenden Rotor 82 an die Kraftquelle und die Welle 90 für den langsam umlaufenden Rotor 84 an die anzutreibende Einrichtung angeschlossen. Es sei bemerkt, daß der Rotor 82 sehr leicht und einfach hergestellt werden kann, so daß er mit extrem hohen Drehzahlen, z. B. mit 25000 bis 50000 Umdrehungen pro Minute oder mehr, umlaufen kann. Wenn die Rotoren 82 oder 84 oder der Stator 86 nicht aus Permanentmagneten bestehen und die Wicklung 146 nicht erregt ist, so können der Antriebsmotor und/oder die anzutreibende Einrichtung völlig unabhängig voneinander umlaufen oder stillstehen.
Falls es erwünscht ist, die anzutreibende Einrichtung mit dem Motor zu kuppeln, wird die Wicklung 146 erregt. Wenn sich der schnell umlaufende Rotor 82 dann dreht, wandern die Abschnitte mit der hohen und niedrigen Kraftflußdichte mit den Flügeln 96, und das erzeugte magnetische Feld läuft mit den Flügeln 96 um. Dadurch wird wiederum bewirkt, daß die Zähne 108 und 138 fortschreitend miteinander ausgerichtet werden. Auf diese Weise findet eine Kraftübertragung von dem schnell umlaufenden Rotor 82 auf den langsam umlaufenden Rotor 84 statt, wobei die Drehzahl reduziert und das Drehmoment erhöht werden. Durch Einregulierung der an der Spule 146 angelegten Spannung kann das maximale zu übertragende Drehmoment auf jeden gewünschten Wert begrenzt werden. Ferner kann lediglich durch Ein- und Ausschalten der Spule 146 das gesamte Getriebe 80 ein- oder ausgerückt werden.
Wenngleich sämtliche vorbeschriebenen Ausführungsformen mindestens zwei Abschnitte am Umfang aufweisen, an denen Zähne miteinander fluchten oder ausgerichtet sind, sei doch bemerkt, daß wenn die Zähnezahlen nur um den Wert 1 differieren, nur ein derartiger Abschnitt vorhanden ist.
Es sei ferner bemerkt, daß der vorstehend als Stator bezeichnete Teil auch in der Form eines dritten Rotors ausgeführt sein kann, um ein Differentialgetriebe zu schaffen.

Claims

Patentansprüche: 1. Magnetisches Getriebe mit drei koaxial zueinander angeordneten Gliedern, von denen mindestens zwei unabhängig voneinander drehbar sind und ein erstes und zweites jeweils Ringe aus nicht im Eingriff stehenden, magnetisch leitfähigen Zähnen tragen, die Bereiche von abwechselnd hohem und niedrigem magnetischem Widerstand bilden, wobei die Zähnezahlen an den zwei Gliedern unterschiedlich sind, so daß bei einer relativen Drehung zwischen diesen Gliedern ein oder mehrere Umfangsbereiche, bei denen sich die Zähne beider Glieder in Ausrichtung befinden, ebenfalls relativ zu diesen Gliedern drehen und wobei ferner das dritte Glied wenigstens einen magnetisch leitfähigen Abschnitt von begrenztem bogenförmigen Ausmaß aufweist, und entweder das erste oder dritte Glied permanent magnetisiert oder mit einer Wicklung versehen ist, die das Glied aufmagnetisiert, so daß ein magnetisches Feld erzeugt wird, welches den genannten Umfangsbereich (-bereiche) mit dem Abschnitt (Abschnitten) des dritten Gliedes ausgerichtet hält, dadurch gekennzeichnet, daß jedes erste und zweite Glied (60; 42) je zwei axial in Abstand voneinander angeordnete Ringe magnetischer Zähne (66 und 68; 56 und 58) besitzt, und das dritte Glied (16) mindestens zwei magnetisch leitfähige Abschnitte (20 und 22; 24 und 26) besitzt, die axial mit den axial in Abstand voneinander angeordneten Zahnringen des ersten und zweiten Gliedes ausgerichtet sind, so daß das magnetische Feld mindestens teilweise durch den einen der zwei Abschnitte des dritten Gliedes, den ausgerichteten Zähnen des ersten Paares von Ringen des ersten und zweiten Gliedes, den ausgerichteten Zähnen des zweiten Paares von Ringen des ersten und zweiten Gliedes, den anderen zwei Abschnitten des dritten Gliedes und zurück zu dem einen Abschnitt schließt.
2. Magnetisches Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Glied (16) einen Permanentmagneten enthält und daß dieses dritte Glied den schneller umlaufenden Rotor zweier Rotoren bildet.
3. Magnetisches Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Glied aus einem Elektromagnet besteht.
4. Magnetisches Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Glied im wesentlichen aus nichtmagnetischem Material bestehen, auf dem die magnetisch leitfähigen Zähne gehaltert sind.
5. Magnetisches Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne aus Folien aus magnetischem Material hergestellt sind, das auf dem ersten und zweiten Glied befestigt ist.
6. Magnetisches Getriebe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Glied einen Stator darstellt.
7. Magnetisches Getriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Glied einen verhältnismäßig langsam umlaufenden Rotor bildet, der innerhalb des Stators angeordnet ist, und daß das dritte Glied einen verhältnismäßig schnell umlaufenden Rotor darstellt, der innerhalb des zweiten Gliedes vorgesehen ist.