DE1463896B2

DE1463896B2 - Magnetisches koaxial wellengetriebe

Info

Publication number: DE1463896B2
Application number: DE19641463896
Authority: DE
Inventors: Hans Thalwil Schlaeppi (Schweiz)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1963-12-31
Filing date: 1964-12-28
Publication date: 1971-07-29
Also published as: DE1463896A1; CH436486A; GB1025605A

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Koaxial-Wellengetriebe, das aus einem antreibenden Teil, einem getriebenen Teil und dazwischen berührungsfrei und ortsfest auf einer Kreisbahn angeordneten ferromagnetischen Leitstücken besteht; dabei weist der getriebene Teil eine Anzahl auf einer Kreisbahn gleichmäßig verteilter ferromagnetischer Bereiche auf, und die ortsfesten Leitstücke sind zu diesem benachbart, jedoch mit unterschiedlicher Teilung und Zahl angeordnet.

Bei den üblichen Wellengetrieben sind die die Kraftübertragung bewirkenden Getriebeteile mechanisch und/oder hydraulisch miteinander verbunden, wobei die Kraftübertragung entweder formschlüssig oder kraftschlüssig erfolgen oder mit beiden Übertragungsarten kombiniert stattfinden kann und, je nach Anwendungsfall, feste oder veränderliche Übersetzungsverhältnisse möglich sind. Weiterhin werden häufig Sperrgetriebe benötigt, die bei einer abtriebsseitigen Umkehrung der Drehrichtung selbsthemmend sind. Der Wirkungsgrad solcher Getriebe ist zugunsten anderer gewünschter optimaler Eigenschaften häufig unbefriedigend; beispielsweise arbeiten die bekannten mechanischen Sperrgetriebe vielfach mit Wirkungsgraden im Bereich um oder unter 50%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe zu schaffen, welches in einem sehr weiten Bereich verschiedenster Einsatzmöglichkeiten bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen optimale Eigenschaften aufweist, mit niedrigen Kosten herstellbar ist und nur geringster Wartung und Pflege bedarf. Zur Lösung dieser Aufgabe sind magnetische Getriebe besonders geeignet. In der USA.-Patentschrift 1223 095 ist ein solches Getriebe beschrieben, bei dem ein ständig umlaufender, elektromagnetisch erregter Teil mittels eines konzentrisch angeordneten Statorteiles auf einen abtriebsseitigen Rotor wirksam ist, wobei der antreibende Teil, der Stator und der Rotor konzentrisch in radialer Ausrichtung angeordnet sind und Stator und Rotor eine unterschiedliche Anzahl gleichmäßig über den Umfang verteilter magnetischer Leitstücke aufweisen, durch deren Zahlenverhältnis die Übersetzung zwischen antreibendem und getriebenem Teil bestimmt ist. Der bei dieser bekannten Anordnung als Elektromagnet ausgebildete induzierende Magnet läuft somit mit der Antriebswelle um, und der Erregerstrom muß über Schleifringe zugeführt werden.

Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Getriebe der eingangs beschriebenen Bauart dadurch gekennzeichnet, daß der antreibende Teil ebenfalls eine bestimmte Anzahl von ferromagnetischen Bereichen hat und daß die ferromagnetischen Bereiche des antreibenden und des getriebenen Teiles und die Leitstücke des ortsfesten Teiles in parallelen Ebenen auf Kreisbahnen von gleichem Durchmesser liegen und in koaxialer Ausrichtung zwischen den parallelen Polschuhplatten eines Permanentmagneten angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Getriebe ist mit geringem fertigungstechnischem und montagetechnischem Aufwand herstellbar, wobei es infolge der Koaxialanordnung der einzelnen, relativ zueinander bewegten Teile möglich ist, zu einer außerordentlich gedrängten Baugröße zu gelangen. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Getriebes ist der Einsatz eines Permanentmagneten mit Induzierung des Magnetflusses durch die schleifringlosen umlaufenden Teile.

Das Getriebe gemäß der Erfindung arbeitet praktisch reibungsfrei und erzielt, obwohl es als Sperrgetriebe verwendet werden kann, einen Wirkungsgrad von nahezu 100%. Wegen des geringen Wartungsund Pflegeaufwandes sind die Einsatzmöglichkeiten noch verbessert, und das erfindungsgemäße Getriebe ist vornehmlich bei Instrumenten, elektrischen Zählern als Rechenwerksgetriebe usw. einsetzbar.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt

ίο F i g. 1 in abgewickelter schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein magnetisches Koaxial-Wellengetriebe,

F i g. 2, 3, 4 und 5 Draufsichten auf das Getriebe gemäß F i g. 1 in axialer Richtung bei verschiedenen Betriebsstellungen und

F i g. 6 einen Schnitt durch ein aus mehreren Stufen zusammengesetztes Getriebe.

Das in Fig. 1 dargestellte Getriebe ist zwischen zwei Permanentmagneten 1 mit je einer Polschuhplatte N und 5 angeordnet und besteht aus einem antreibenden Teil 2, Leitstücken 3, 4, 5 und 6 sowie einem getriebenen Teil 7. Der angetriebene Teil 2 ist als rechteckige Platte ausgebildet (vgl. F i g. 2 bis 5), die aus zwei verschiedenen Materialien besteht: Einem weichmagnetischen Material hoher Permeabilität, welches in Fig. 1 schraffiert dargestellt und als Bereich 2 a und 2 b bezeichnet ist, und aus einem nichtmagnetisierbaren Material (in F i g. 1 nichtschraffierte Bereiche des Teiles 2). Die Leitstücke 3, 4, 5 und 6 bestehen aus weichmagnetischem Material und sind stationär und mit gleichem Abstand voneinander auf einer Kreisbahn in unmittelbarer Nähe des antreibenden Teiles 2 angeordnet. Die zur Halterung der Leitstücke 3 bis 6 dienenden nichtmagnetisierbaren Bauteile sind in F i g. 1 nicht gezeigt. Ebenfalls in geringem Abstand von den Leitstücken 3 bis 6 befindet sich der getriebene Teil 7, welcher als Scheibe ausgebildet ist und auf einer Kreisbahn in gleichmäßigem Abstand voneinander befindliche magnetische Bereiche 8 aufweist. Die nichtmagnetisierbaren Bereiche zwischen den einzelnen magnetischen Bereichen 8 sind als Bohrungen 9 gebildet. Pfeile 10 kennzeichnen die Drehrichtung der beweglichen Teile, nämlich des antreibenden Teils 2 und des getriebenen Teils 7.

Die Breite des gemäß den F i g. 2 bis 5 vorzugsweise als rechteckförmiger Steg ausgebildeten antreibenden Teiles 2 ist abhängig von dem Abstand der Leitstücke 3 bis 6 untereinander. Die Leitstücke 3 bis 6 haben ihrerseits zylindrische Form, wie in den F i g. 2 bis 5 ebenfalls erkennbar. Die Bohrungen 9 in dem aus weichmagnetischem Material bestehenden getriebenen Teil 7 haben einen größeren Durchmesser als die Leitstücke 3 bis 6. . . . .
Im Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 2 bis 5 sind in dem getriebenen Teil 7 insgesamt elf Bohrungen 9 vorgesehen, so daß sich bei zwei Bereichen 2a und 2 b des antreibenden Teiles 2 ein Übersetzungsverhältnis von 11: 3 ergibt, wie an Hand der folgenden Beschreibung erläutert wird.

Zur Erklärung der in Fig. 1 eingezeichneten Entfernungswerte gilt:

Ts = Anzahl der Bohrungen 9 im getriebenen Teil 7,

B₈ = δ = -^- = Lochmittenabstand von Boh-

T₁

rung 9 zu Bohrung 9,

1 453 896

Durchmesser der Bohrungen 9: -=- ,

Durchmesser der Leitstücke 3 bis 6: Etwas kleiner als Durchmesser der Bohrungen 9,

Tp = Anzahl der Bereiche (2 a, 2 b) des antreibenden Teiles 2,

Bp = Y — -ψ- = Mittenabstand der Bereiche 2 a,

* ρ

2 b, Bk — β = —£- = Mittenabstand von Leitstück zu

Leitstück im Bogenmaß,
ρ = Anzahl der Leitstücke,
k = ganze Zahl,

Das Übersetzungsverhältnis des dargestellten Getriebes ist somit:

TT

U=-

T_s-T_P-p-k

In der Ausführungsform gemäß den F i g. 1 bis 5 ist /7 = 4 gewählt, die Stegbreite des antreibenden Teiles 2 etwa gleich ß. Die genaue Stegbreite ist abhängig von

a) der Querschnittsform der Leitstücke 3 bis 6,

b) der Umrißform des Steges in der Nähe der Leitstücke und

c) der gewünschten Getriebecharakteristik, die durch die Funktion des magnetischen Flusses in den Leitstücken in Abhängigkeit vom Drehwinkel des antreibenden Teiles 2 bestimmt ist.

Entsprechend dem Übersetzungsverhältnis von 11: 3 dreht sich bei einer vollständigen Umdrehung des antreibenden Teiles 2 um 360° der getriebene Teil 7 um ³/ii = 98°. Würde man an Stelle vonvier Leitstücken fünf vorsehen, so ergäbe sich ein Übersetzungsverhältnis von 11:1. Weiterhin kann das Übersetzungsverhältnis auch durch Änderung der Zahl der Bohrungen im getriebenen Teil 7 geändert werden.

Wie aus den F i g. 2 bis 5 erkennbar ist, befinden sich die Bohrungen 9 und die Leitstücke 3 bis 6 auf dem gleichen Teilkreis. In dem (nicht dargestellten) Gehäuse sind die Polschuhplatten N und S des Permanentmagneten 1 untergebracht, und aus Gründen der anschaulichen Darstellung sind die Polschuhplatten N und S in den F i g. 2 bis 5 nicht gezeigt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Stellung des getriebenen Teiles 7 zu den Leitstücken 3 bis 6 und dem antreibenden Teil 2 befindet sich der Bereich 2b des antreibenden Teiles 2 über dem Leitstück 4, das seinerseits unter der Wirkung des magnetischen Flusses eine Stellung zwischen zwei Bohrungen eingenommen hat. Dieser magnetische Fluß zwischen den Polschuhplatten Nord und Süd des Permanentmagneten 1, welcher den Weg über den Bereich 2d, das Leitstück 4 und den Bereich 8 des getriebenen Teiles 7 nimmt, bewirkt eine magnetische Kupplung zwischen antreibendem Teil 7, einem der Leitstücke und dem getriebenen Teil 7. Wird nun der antreibende Teil 2 in Richtung des Pfeiles 10 weitergedreht, so wandert der Fluß vom Leitstück 4 zum Leitstück 5. Der Drehwinkel, der hierbei zurückgelegt wird, beträgt

y/p = 2n/p-T_v.
Da in dem dargestellten Beispiel T_v = 2, T_s = 11 und p = A gewählt sind, beträgt somit der Vorschubschritt des antreibenden Teiles 2 genau 45°.

Nunmehr befindet sich der getriebene Teil 7 nicht mehr im stabilen Gleichgewicht, und um seine neue Gleichgewichtslage einzunehmen, muß er eine Drehung um

γ/ρ _ δ = 2 π ■ ³/₈₈

in der gleichen Drehrichtung des Pfeiles 10 ausführen

ίο wie der antreibende Teil 2. Die nunmehr erreichte Lage der einzelnen Teile ist in F i g. 3 dargestellt.

Wird der antreibende Teil 2 mit dem Bereich 2b abermals um einen 45 "-Schritt in Richtung des Pfeiles weitergedreht, so nehmen nunmehr die bewegten Teile die in F i g. 4 gezeigte Stellung ein: Der Bereich 2b befindet sich über dem Leitstück 6, da sich der magnetische Fluß während der vorherigen Drehbewegung des Bereiches 2b vom Leitstück 5 auf das Leitstück 6 verlagert hat, wodurch der getriebene Teil 7 um den Winkel γ/ρ — δ weitergedreht wurde.

Nach einem weiteren 45 "-Schritt des Bereiches 2 b des antreibenden Teiles 2 wird die in F i g. 5 dargestellte Stellung der Teile erreicht, wobei zu beachten ist, daß unterhalb des Bereiches 2 b sich nunmehr kein Leitstück mehr befindet. Statt dessen wird die magnetische Kupplung zwischen antreibendem Teil 2, den Leitstücken 3 bis 6 und dem getriebenen Teil 7 nunmehr von dem Bereich 2 a des antreibenden Teiles 2 bewirkt, welcher sich jetzt, wie F i g. 5 zeigt, oberhalb des Leitstückes 3 befindet. Die Folge ist eine Drehbewegung des getriebenen Teiles 7 um einen weiteren Winkel von γ/ρ — δ.

Bewegt sich der Bereich 2 a anschließend um einen weiteren Schritt in Pfeilrichtung, so erhält man die gleiche Lage des antreibenden Teiles 2, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist, nur sind jetzt die Bereiche 2a und 2b miteinander vertauscht, da der antreibende Teil 2 eine Drehung um π entsprechend 180° ausgeführt hat. Bis dahin hat sich der getriebene Teil um

gedreht, entsprechend IV2 Teilungen der Bohrungen 9 bzw. %2 einer vollständigen Umdrehung. Wird der antreibende Teil 2 um weitere 180° gedreht, wie in den F i g. 2 bis 5 dargestellt, so erhält man schließlich, nach einer vollständigen Umdrehung des antreibenden Teiles 2, einen Drehwinkel des getriebenen Teiles 7 um ³/_n · 360°.

So In der Ausführungsform gemäß F i g. 6 sind drei Einzelgetriebe gemäß F i g. 1 in Reihe angeordnet und zu einer Einheit zusammengesetzt. Der antreibende Teil 2 ist mit einer Antriebswelle 11 verbunden, und die Leitstücke, von denen lediglich das Leitstück 4 dargestellt ist, werden von einem als Haltering ausgebildeten Gehäuseteil 12 in ihrer Lage gehalten. An diese erste Getriebestufe schließt sich eine weitere an, die ebenfalls aus einem getriebenen Teil 21 mit Leitstücken 41, einem als Haltering ausgebildeten Gehäuseteil 121 und einem getriebenen Teil 71 besteht. Eine weitere dritte Getriebestufe ist aus einem antreibenden Teil 22, Leitstücken 42, einem weiteren als Haltering ausgebildeten Gehäuseteil 122 und dem getriebenen Teil 72 mit Bohrungen 92 zusammengesetzt.

Eine Abtriebswelle 13 ist mit dem getriebenen Teil 72 verdrehfest verbunden, während die Zeilen 7, 21, 71 und 22 frei drehbar auf der Abtriebswelle 13, koaxial zueinander, gelagert sind, wobei zu beachten ist, daß

die getriebenen Teile 7 und 71 mit den antreibenden Teilen 21 bzw. 22 starr verbunden sind.

Die beschriebene Anordnung ist in einem Gehäuse 14 untergebracht, das einen Permanentmagneten 15 mit Polschuhplatten N und S enthält. Die Wirkungsweise der in F i g. 6 dargestellten Anordnung ist folgendermaßen: Wenn die Antriebswelle 11 den treibenden Teil einmal umdreht, wird der getriebene Teil um einen geringen Winkelbetrag weitergedreht, wobei sich das Übersetzungsverhältnis in der bereits beschriebenen Weise nach dem Verhältnis zwischen der Anzahl der Bohrungen 9 und der Zahl der Bereiche 2a und 2 b des antreibenden Teiles 2 richtet. Entspricht die Ausbildung der ersten Getriebestufe dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, so bewirkt diese Stufe eine Übersetzung von 11: 3. In der zweiten Getriebestufe, bestehend aus dem antreibenden Teil 21, dem Leitstück 41 sowie dem Gehäuseteil 121 und dem getriebenen Teil .71 mit den Bohrungen 91, kann das gleiche oder ein anderes Übersetzungsverhältnis gewählt werden, ebenso wie in der sich daran anschließenden dritten Getriebestufe. Infolge der zahlreichen, sich daraus ergebenden Kombinationsmöglichkeiten kann zwischen der Antriebswelle 11 und zwischen der Abtriebswelle 13 in einem sehr weiten Bereich jedes nur denkbare Übersetzungsverhältnis erzielt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetisches Koaxial-Wellengetriebe, bestehend aus einem antreibenden Teil, einem getriebenen Teil und dazwischen berührungsfrei und ortsfest auf einer Kreisbahn angeordneten ferromagnetischen Leitstücken, wobei der getriebene Teil eine Anzahl auf einer Kreisbahn gleichmäßig verteilter ferromagnetischer Bereiche aufweist und die ortsfesten Leitstücke zu diesen benachbart, jedoch mit unterschiedlicher Teilung und Zahl angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der antreibende Teil (2) ebenfalls eine bestimmte Anzahl von ferromagnetischen Bereichen (2a, 2b) hat und daß die ferromagnetischen Bereiche (2 a, 2b; 8) des antreibenden und des getriebenen Teiles (2, 7) und die Leitstücke (3 bis 6) des ortsfesten Teiles in parallelen Ebenen auf Kreisbahnen von gleichem Durchmesser liegen und in koaxialer Ausrichtung zwischen den parallelen Polschuhplatten (N, S) eines Permanentmagneten (1) angeordnet sind.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Bereiche (2) bzw. Leitstücke (3 bis 6) des antreibenden (2) und des ortsfesten Teiles zylindrische Form aufweisen.

3. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der getriebene Teil (7) eine Scheibe aus ferromagnetischem Material mit auf einer Kreisbahn angeordneten durchgehenden Bohrungen (9) ist, wobei die Materialgebiete zwischen benachbarten Bohrungen die magnetisch kuppelnden ferromagnetischen Bereiche (8) bilden.

4. Getriebe nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Bohrungen (9) des getriebenen Teils (7) größer ist als derjenige der ferromagnetischen Leitstücke (3 bis 6).

5. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der antreibende Teil (2) als im wesentlichen rechteckförmige Platte aus ferromagnetischem Material mit einer durch den Mittelpunkt gehenden Achse ausgebildet ist, wobei die Breite der Rechteckform gleich dem mittleren Abstand der ortsfesten Leitstücke (3 bis 6) ist.

6. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) und die Polschuhplatten (N, S) zugleich die Wände eines Getriebegehäuses bilden.

7. Getriebe nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einzelgetriebe in koaxialer Reihenanordnung zu einer mehrstufigen Getriebeeinheit (F i g. 6) mit gemeinsamem Gehäuse (12, 121, 122) zusammengesetzt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen