DE19604089C2 - Magnetomechanischer Drehmomentwandler - Google Patents

Description

1. Grund der Erfindung

Dem Erfindungsgegenstand liegt die Idee zugrunde, die mittels Permanentmagneten speicherbare potentielle Energie zur Unterstützung kinematischer Vorgänge oder Bewegungen für eine Drehmomentwandlung zu nutzen.

2. Stand der Technik

Es sind verschiedene permanentmagnetische Anordnungen und/oder Vorrichtungen zur Unter­ stützung oder Erzeugung kinematischer Vorgänge oder Bewegungen bekannt.

Bei der Patentbeschreibung wurden folgende Offenlegungs- und Patentschriften in Betracht gezogen: DE-AS 12 52 788, DE 26 31 354 A1, DE 37 19 973 A1, DE 39 13 357 C1, US 3,864,587, US 3,879,622; US 5,013,949.

Alle oben genannten Offenlegungs- oder Patenteschriften beschreiben Vorrichtungen die ent­ weder als magnetische Kupplungen oder magnetische Getriebe eingesetzt werden können. Keine der oben genannten Offenlegungsschriften oder Patente beschreibt einen magnetome­ chanischen Drehmomentwandler.

3. Aufbau und physikalische Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes

In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau eines magnetomechanischen Drehmomentwandlers mit zwei gleichartig aufgebauten Wandlerzellen dargestellt. Die Antriebskolben 1.1 und 1.4 der beiden Wandlerzellen bestehen aus einem nichtmagnetischen Leichtmetallkörper 1.2 mit einer axialen Bohrung zur Aufnahme einer Antriebswelle 1.12 und einem Permanentmagneten 1.3 vorzugsweise auf der Basis seltener Erden. Die Antriebskolben 1.1 und 1.4 sind konstuktiv so ausgelegt und miteinander verbunden, daß auch bei hohen Drehzahlen keine dynamisch beding­ ten Unwuchtkräfte auftreten und die Verbindung zwischen den Teilen 1.2 und 1.3 mechanisch stabil bleibt. Die Arbeistskolben 1.5 und 1.6 bestehen ebenfalls aus jeweils einem nichtmagne­ tischen Leichtmetallkörper und jeweils einem Permanentmagneten. Der Leichtmetallkörper ist konstuktiv so gestaltet, daß er über einen geeigneten Bolzen mit einer Schubstange 1.7 ver­ bunden werden kann. Der Bolzen und die Schubstange sind aus einem geeigneten nichtmag­ netischen Werkstoff gefertigt. Die Schubstange 1.7 ist über eine geeignete Bolzenverbindung mit einer Kurbelwelle 1.8 verbunden. Ein Ende der Kurbellwelle 1.8 ist mit einer Schwung­ masse 1.9, zur dynamischen Speicherung mechanischer Rotationsenergie, verbunden. Das freie Ende (Kupplungsende) der Kurbelwelle 1.8 kann mit weiteren Einzelwandlereinheiten (Fig. 6), einem technischen Antriebsaggregat, einer technischen Vorrichtung oder einer Maschine ver­ bunden werden. Die Arbeitskolben 1.5 und 1.6, die Kurbelwellen 1.7 mit zugehörigen Lage­ rungen sind in geeigneter Weise in ein Leichtmetallgehäuse 1.10 eingebaut. Die Antriebskolben 1.1 und 1.4 sowie die Antriebswelle 1.12 mit zugehöriger Lagerung sind in geeigneter Weise durch den Lagerblock 1.11 mit dem Gehäuse 1.10 verbunden. Die Permanentmagnete 1.3 der Antrieskolben 1.1 und 1.4 und der Arbeitskolben 1.5 und 1.6 sind geometrisch so angeordnet, daß ihre magnetischen Nordpole einander zugewandt sind. Über die Kurbelwelle 1.8 wird sichergestellt, daß in der erste Wandlerzelle (linker Teil in Fig. 1) der Arbeitskolben 1.5 im oberen Totpunkt steht, wenn in der zweiten Wandlerzelle (rechter Teil der Fig. 1) der Arbeits­ kolben 1.6 im unteren Totpunkt steht. Gleichzeitig ist die Stellung der Antriebskolben 1.1 und 1.4 über die Antriebswelle 1.12 so festgelegt, daß in der ersten Wandlerzelle (linker Teil in der Fig. 1) der Permanentmagnet 1.3 des Antriebskolben 1.1, getrennt durch einen sehr kleinen Luftspalt, direkt dem Permanentmagneten des Arbeitskolben 1.5 mit einander zugewandten magnetischen Nordpolen gegenübersteht (kleinstmöglicher Abstand), und daß in der zweiten Wandlerzelle (rechter Teil der Fig. 1) der Permanentmagnet des Antriebskolben 1.4 vom Permanentmagneten des Arbeitskolbens 1.6 wegzeigt (größtmöglicher Abstand). Die beiden Teile der jeweiligen Antriebskolben sind so gestaltet, daß diese eine optimale Rotationsbewe­ gung durchführen können (Fig. 2).

Wird nun die Antriebswelle 1.12 in Rotation versetzt so werden die Arbeitkolben 1.5 und 1.6 ebenfalls in definierter Weise in eine Rotationsbewegung versetzt. Steht z. B. der Arbeitskolben 1.5 des ersten Antriebselements im oberen Totpunkt, so ist der Permanentmagnet des Antriebs­ kolbens 1.1 nur durch einen kleinen Luftspalt vom Permanentmagneten des Arbeitskolbens 1.5 getrennt. Die magnetischen Nordpole sind in dieser Position einander zugewandt. Infolge der starken magnetischen Feldkräfte führt dies zu einer magnetischen Abstoßung des Arbeitskol­ bens 1.5 und damit zu einer nach unten gerichteten Bewegung. Synchron zu dieser Abwärts­ bewegung des Arbeitskolbens 1.5 bewegt sich der Arbeitskolben 1.6, bedingt durch die Kur­ belwellenkopplung und -bewegung, nach oben. Gleichzeitig dreht sich der Antriebskolben so, daß sich sein Permanentmagnet dem des Arbeitskolbens entgegendreht (Fig. 1). Nach kurzer Zeit befindet sich der Arbeitskolben 1.6 im oberen Totpunkt während sich der Arbeitskolben 1.5 im unteren Totpunkt befindet. Dies entspricht einer halben Umdrehung (180 Grad) der Kurbelwelle 1.8 (Fig. 1). Nun wirken die staken vertikalen magnetischen Abstoßungskräfte zwischern dem Antriebskolben 1.4 und dem Arbeitskolben 1.6 in der Weise, daß sich der Ar­ beitskolben 1.6 zum unteren Totpunkt bewegt und der Arbeitskolben 1.5 zum oberen Tot­ punkt. Die Kurbelwelle hat damit eine volle Umdrehung (360 Grad) gemacht. Durch die Spei­ cherung mechanischer Rotationsenergie mit der Schwungmasse 1.9 werden die kinematischen Totpunkte des Antriebes überfahren und die Antriebseinheit bleibt in Bewegung. Weiter sorgt die Schwungmasse für einen gleichmäßigen Bewegungsablauf.

Der Primärantrieb der Welle 1.12 kann mit den unterschiedlichsten biologisch physiologischen oder physikalisch technischen Mitteln, z. B. einem kleinen DC-Elektrometer, erfolgen. Bei der Bewegung der Arbeitskolben 1.5 und 1.6 in Fig. 3 durchläuft der zugehörige Permanentmagnet im Moment seiner größten Ge­ schwindigkeit berührungsfrei eine elektrische Spule 3.1 und induziert dabei nach dem elektrodynamischen Induktionsgesetz in dieser eine elektrische Spannung. Diese kann über einen Kondensatorschaltung gespeicher werden und zum Betrieb elektrischer Komponenten verwendet werden.

Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß im oberen und unteren Totpunkt der translatorischen Bewe­ gungsbahn der Arbeitskolben 1.5 und 1.6 jeweils ein Magnetfeldsensor 3.2 und 3.3 (z. B. ein Hall-Sensor oder eine Feldplatte) in das Gehäuse 1.10 eingebaut ist. Diese dienen zur genauen Sensierung der aktuellen Position der Arbeitskolben. Zur Aufnahme der Antriebskolben 1.1 und der Antriebswelle 1.12 mit zugehörigen Lagern ist in Fig. 3 ein geeignetes Leichtmetall­ gehäuse 3.5 vorgesehen. Dieses ist in seinem Kopfteil ebenfalls mit zwei Magnetfeldsensoren 3.4 ausgerüstet. Mit diesen läßt sich dann die genaue Winkelposition der rotierenden An­ triebskolben 1.1 und 1.4 sensieren. Die von den Sensoren generierten elektrischen Signale las­ sen sich in einer Signalaufbereitungs- und Signalverknüpfungselektronik so auswerten, daß über eine geregelte elektronische Ansteuerung eines Elektromotors dafür gesorgt werden kann, daß das Erreichen des obere Totpunktes des Arbeitskolben immer exakt mit der oberen Winkeltotpunktstellung des Antriebskolben zusammenfällt und damit immer eine maximale Kraftübertragung möglich ist, das heißt ein möglicher magnetischen Schlupf elektronisch aus­ geregelt werden kann.

Die Schwungmasse 1.9 ist zwar primär aus mechanisch dynamischen Gründen Bestandteil des Erfindungdgegenstandes, sie kann aber auch vorteilhaft zur Drehzahlregelung eingesetzt wer­ den. Das als Schwungrad ausgebildete Schwungmasse wird dazu mit einer einfachen Meßzahn­ struktur versehen. Mit einem einem einfachen und sehr robusten Induktionsdrehzahlmeßwert­ aufnehmer 1.9 (Fig. 3) kann die aktuelle Drehzahl der Kurbelwell 1.8 erfaßt werden. Dieses Signal wird nun weiter elektronisch aufbereitet und über eine elektronische Regelung dem Elektromotor zugeführt und zur Einstellung und Überwachung der Kurbelwellendrehzahl ge­ nutzt.

Eine altenative Möglichkeit zur Drehzahlregelung besteht in der Auswertung der in den elektri­ schen Spulen 3.1 induzierten elektrischen Spannungen. Zu diesem Zweck wird die in der Spule induzierte elektrische Spannung elektronisch differenziert und einem elektronischen Null­ punktdetektor zugeführt. Der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden Nulldurchgänge des differenzierten elektrischen Signals ist dann direkt proportional zu Kurbelwellendrehzahl.

Die in Fig. 1 dargestellte Wandlereinheit, bestehend aus zwei Wandlerzellen, läßt sich beson­ ders vorteilhaft kaskadieren. Schließt man z. B., wie in Fig. 5 dargestellt, drei Wandlereinheiten zu einem Drehmomentwandler zusammen so erhält man ein Aggregat mit sechs Arbeitskolben 6.20 bis 6.21 und sechs Antriebskolben 6.10 bis 6.15. Wird nun die Kurbelwelle 6.1 und die Antriebswelle 6.2 in den einzelnen Wandlereinheiten gleich ausgelegt erhält man eine Verdrei­ fachung der Antriebskraft.

Anordnungen der Arbeitskolben, analog zur Technik der Verbrennungsmotoren, sind möglich: Dabei müssen die Antriebskolben auf dem Innenmantel an einer koaxial umlaufenden Hülse in geeigneten Abständen, mit der richtigen magnetischen Ausrichtung, angeordnet sein. Die Hülse läßt sich dadurch mit einer einzigen Antriebswelle in eine Rotationsbewegung versetzen. Die Antriebskolben sind in geeigneter Weise, abhängig von dem gewählten Antriebskonzeptes, zentralradial um eine Kurbelwelle angeordnet. Die grundsätzliche physikalische Wirkungsweise dieser Variante, des Erfindungsgegenstandes, entspricht der schon oben beschriebenen.

Claims (9)

1. Magnetomechanischer Drehmomentwandler bestehend aus mindestens zwei gleichartig aufgebauten Wandlereinheiten, wobei die Antriebskolben 1.1 und 1.4 mit einer axialen Boh­ rung zur Aufnahme einer angetriebenen Antriebswelle 1.12 konstuktiv so ausgelegt und miteinander verbun­ den sind, daß auch bei hohen Drehzahlen keine dynamisch bedingten Unwuchtkräfte auftreten und die mechanische Verbindung zwischen den Teilen 1.2 und 1.3 stets stabil bleibt, und der Leichtmetallkörper konstuktiv so gestaltet wird, daß er über einen geeigneten Bolzen mit einer Schubstange 1.7 verbunden werden kann, wobei der Bolzen und die Schubstange aus einem geeigneten nichtmagnetischen Material gefertigt wird und die Schubstange 1.7 durch geeignete Bolzen mit der Kurbelwelle 1.8 verbunden wird so, daß ein Ende der Kurbelwelle 1.8 mit einer Schwungmasse 1.9, zur dynamischen Speicherung mechanischer Rotationsenergie verbunden werden kann, und die Arbeitskolben 1.5 und 1.6 sowie die Kurbelwellen 1.7 mit zugehörigen Lagerungen in geeigneter Weise in ein Leichtmetallgehäuse 1.10 einbaubar ist so, daß die Antriebskolben 1.1 und 1.4 sowie die Antriebswelle 1.12 mit zugehöriger Lagerung in geeigneter Weise durch den Lagerblock 1.11 mit dem Gehäuse 1.10 verbindbar sind, bei dem die Wandlereinheit aus mindestens zwei gleichartig aufgebauten permanentmagnetischen Wandlerzellen bestehen, wobei die Arbeitskolben 1.5 und 1.6 aus einem nichtmagnetischen Leichtmetallkörper und jeweils einem Permanentmagneten, vorzugsweise auf der Basis seltener Erden, bestehen und die Permanentmagnete 1.3 der Antriebskolben 1.1 und 1.4 sowie der Arbeitskolben 1.5 und 1.6 so angeordnet sind, daß ihre magnetischen Nordpole einander zugewandt sind, wobei die beiden Teile der jeweiligen Antriebskolben so gestaltet sind, daß diese eine optimale Rotationsbewegung ausführen können.

2. Magnetomechanischer Drehmomentwandler Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bewegung der Arbeitskolben 1.5 und 1.6 der zugehörige Permanentmagnet im Moment seiner größten Geschwindigkeit berührungsfrei eine elektrische Spule 3.1 durchläuft und dabei nach dem elektrodynamischen Induktionsgesetz in dieser eine elektrische Spannung induziert, welcher z. B. über einen Kondensatorschaltung zum Betrieb elektrischer Komponenten gespeichert werden kann (Fig. 3).

3. Magnetomechanischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen und unteren Totpunkt der translatorischen Bewegungsbahn der Arbeitskolben 1.5 und 1.6 jeweils ein Magnetfeldsensor 3.2 und 3.3 in das Gehäuse 1.10 eingebaut ist, welcher zur genauen Sensierung der aktuellen Position der Arbeitskolben dienen kann, wobei zur Aufnahme der Antriebskolben 1.1 und der Antriebswelle 1.12 mit zugehörigen Lagern ein geeignetes Leichtmetallgehäuse 3.5 vorgesehen ist so, daß im seinem Kopfteil des Leicht­ metallgehäuses 3.5 die Magnetfeldsensoren 3.4 eingebaut sind, welche die genaue Winkel­ position der rotierenden Antriebskolben 1.1 und 1.4 sensieren, wobei die von den Sensoren generierten elektrischen Signale in einer geeigneten Signalaufbereitungs- und Signalver­ knüpfungselektronik so ausgewertet werden, daß über eine geregelte elektronische Ansteue­ rung eines DC-Elektromotors dafür gesorgt werden kann, daß das Erreichen des obere Tot­ punktes des Arbeitskolben immer exakt mit der oberen Winkeltotpunktstellung des Antriebs­ kolben zusammenfällt und damit immer eine gute Kraftübertragung möglich ist, d. h. ein mög­ licher magnetischen Schlupf elektronisch ausgeregelt werden kann.

4. Magnetomechanischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Schwungmasse 1.9 mit einem freien Ende der Kurbelwelle 1.8 mecha­ nisch, zur Verbesserung des dynamischen und kinematischen Verhaltens, verbunden ist so, daß die mechanische Schwungmasse 1.9 auch vorteilhaft zur Drehzahlerfassung und -regelung eingesetzt werden kann, indem die als Schwungrad ausgebildete Schwungmasse mit einer ein­ fachen Meßzahnradstruktur versehen wird, wobei mit einem sehr einfachen und sehr robusten Induktionsdrehzahlmeßwertaufnehmer 1.9 (Fig. 3) die aktuelle Drehzahl der Kurbelwell 1.8 er­ faßt werden kann.

5. Magnetomechanischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehzahlregelung die in den elektrischen Spulen 3.1 induzierten elektrischen Span­ nungen verwendet werden kann, wobei zu diesem Zweck die in der Spule induzierte elektrische Spannung elektronisch differenziert und einem elektronischen Nullpunktdetektor zugeführt wird, wobei der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden Nulldurchgänge des differenzierten elektrischen Signals direkt proportional zu Kurbelwellendrehzahl ist.

6. Magnetomechanischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Synchronisation der Totpunktwinkelposition des Antriebskolbens 1.1 oder 1.4 und der oberen Totpunktstellung des Arbeitskolbens 1.5 oder 1.6. ein einfacher Riemen­ trieb verwendet werden kann.

7. Magnetomechanischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle 1.12 mit einen Antriebsrad 5.2 ausgerüstet, und die Kurbelwelle 1.8 oder die Schwungmasse 1.9 mit einem Abtriebsrad 5.3 versehen wird, wobei das Antriebsrad 5.2 und das Abtriebsrad 5.3 mechanisch mit einem Keilriemen 5.1 verbunden ist.

8. Magnetomechanischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man drei Wandlereinheiten zu eine Drehmomentwandler so zusammenbaut, daß man ein Aggregat mit sechs Arbeitskolben 6.20 bis 6.21 und sechs Antriebskolben 6.10 bis 6.15 erhält, wobei nun die Kurbelwelle 6.1 und die Antriebswelle 6.2 in den einzelnen Wandlereeinheiten gleich ausgelegt werden (Fig. 1, Fig. 6).

9. Magnetomechanischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kurbelzapfen der Kurbelwelle in regelmäßigen Winkelabständen gegenein­ ander versetzt sind, so, daß die Antriebskolben auf dem Innenseite einer koaxial umlaufenden Hülse in geeigneten Abständen, mit der richtigen magnetischen Ausrichtung, so angeordnet sind, daß sich die Hülse mit einer einzigen Antriebswelle in eine Rotationsbewegung versetzen läßt.