DE19812348C2 - Magnetische Kraftübertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Kraftübertragungsvorrichtung mit wenigstens zwei rotierbaren Elementen, die jeweils eine oder mehrere Magnet­ spiralen aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftübertragungs­ system.

Bekannte Kraftübertragungsvorrichtungen dienen zur verlustarmen Übertragung von Kräften zwischen zwei oder mehr drehbaren und achsparallel angeordneten Körpern. Die Kraftübertragung erfolgt dabei auf magnetischem Wege, was gegen­ über mechanischen Auführungsformen den Vorteil eines geringeren Verschleißes und somit einer höheren Lebensdauer bietet. Ferner ergeben sich bei mechanisch betriebenen Vorrichtungen Probleme einer kontinuierlichen und ausreichenden Schmierung sowie einer exakten Lagerung und Fertigung der verwendeten Kom­ ponenten. In der EP 0 681 757 (WO 94/175 83) wird eine gattungsbildende magnetische Kraftüber­ tragungsvorrichtung offenbart, die aus zwei oder mehr rotierbaren walzenförmigen Körpern besteht, die zueinander benachbart angeordnet sind. Hier wird ein hoher Wirkungsgrad dadurch erreicht, daß die Magnetspiralen im Umfangsbereich der Walzen derart angeordnet sind, daß gleiche Pole nach außen weisen, so daß ein Abstoßungseffekt zwischen den Walzen bzw. den Magnetspiralen vorliegt. Eine derartige Kraftübertragung ist verhältnismäßig verlustarm, was auch die Übertra­ gung sehr hoher Drehzahlen ermöglicht.

Bei bekannten Kraftübertragungsvorrichtungen ist es jedoch nachteilig, daß zur Kraftübertragung nur ein Bruchteil der Magneten, nämlich die sich gerade gegen­ überstehenden Magnete genutzt werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Kraftübertra­ gungsvorrichtung dahingehend weiterzubilden, daß alle Magnete an der Drehmo­ mentbildung teilnehmen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer gattungsgemäßen Kraftübertragungsvor­ richtung dadurch gelöst, die rotierbaren Elemente wenigstens teilweise ineinander aufnehmbar und derart ausgeführt sind, daß die Gangdichte der Magnetspiralen eines aufgenommenen rotierbaren Elementes wenigstens doppelt so groß ist wie die Gangdichte der Magnetspiralen eines benachbarten, dieses aufnehmenden ro­ tierbaren Elementes.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die ro­ tierbaren Elemente aus den Magnetspiralen bestehen und die Magnetspiralen in ihren Endbereichen drehbar gelagert sind. Es ist somit nicht zwingend erforderlich, daß die Magnetspiralen bei entsprechend stabiler Ausführung auf Trägern oder Grundkörpern aufgebracht werden müssen.

Die rotierbaren Elemente können einen ersten und einen zweiten rotierbaren Grundkörper umfassen, die beide eine oder mehrere Magnetspiralen aufweisen, wobei der erste Grundkörper eine Ausnehmung aufweist, in der der zweite Grund­ körper wenigstens teilweise aufnehmbar ist und wobei sich die Pole der Magnetspi­ ralen des ersten Grundkörpers von dem Innenumfang der Ausnehmung und die Pole der Magnetspiralen des zweiten Grundkörpers von dessen Außenumfang er­ strecken. Die Grundkörper können walzenförmig ausgeführt sein, wobei zumindest der außenliegende Grundkörper als Hohlwalze ausgeführt ist. Sind nur zwei Grund­ körper vorgesehen, wird der äußere von einer Antriebseinheit angetrieben, wäh­ rend der innere Grundkörper als Abtriebselement dient. Bei einer Verdopplung der Gangdichte der Magnetspirale des inneren Grundkörpers ergibt sich eine Ver­ dopplung dessen Rotationsgeschwindigkeit sowie des Drehmomentes.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das der zweite Grundkörper eine Ausnehmung zur Aufnahme weiterer rotierbarer Grundkörper aufweist, wobei die weiteren Grundkörper jeweils eine Ausnehmung und eine oder mehrere Magnetspiralen aufweisen und wobei sich die Pole der Magnetspiralen jeweils an dem Außenum­ fang der Grundkörper sowie an dem Innenumfang der Ausnehmung erstrecken. Dadurch wird es möglich, weitere rotierbare Grundkörper mit Magnetspiralen vor­ zusehen, die jeweils ineinander aufgenommen sind, wobei erfindungsgemäß die Magnetspiralen eines innenliegenden Grundkörpers wenigstens die doppelte Gangdichte aufweisen wie die Magnetspiralen eines diesen aufnehmenden, be­ nachbarten Grundkörpers. Auf diese Weise ist eine weitere Steigerung von Drehmoment und Geschwindigkeit erzielbar, wobei beide Größen von Grundkörper zu Grundkörper nach innen zunehmen. Um eine Kraftübertragung zu den jeweils benachbarten Magnetspiralen sicherzustellen, sind diese derart angeordnet, daß sich die Pole der Magnetspiralen an dem Außenumfang der Grundkörper sowie an dem Innenumfang der Ausnehmung erstrecken. Auf diese Weise wird sicherge­ stellt, daß eine beidseitige Kraftübertragung stattfindet. Lediglich bei dem äußersten sowie bei dem innersten Grundkörper ist es ausreichend, daß die Magnetspiralen entsprechend nur nach innen bzw. nur nach außen ausgerichtet sind. Der an inner­ ster Position befindliche Grundkörper dient als Abtriebselement der Kraftübertra­ gungsvorrichtung.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Magnetspiralen der Elemente aus versetzt oder in Reihe angeordneten Magnetelementen bestehen. Somit kann eine einer idealen Spirale nahekommende Form der Magnetspiralen erzielt werden.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der Stei­ gungswinkel der Magnetspiralen 2° bis etwa 60°, vorzugsweise 5° bis 30° und ins­ besondere etwa 15° beträgt. Durch eine günstige Wahl des Steigungswinkels kann ein gleichförmiges Gleiten der Magnetspiralen der benachbarten Körper erfolgen und ein unerwünschter Schlupf weitgehend verhindert werden.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Ele­ mente eine zylindrische Außen- und Innenfläche aufweisen. Dadurch wird es mög­ lich, den Luftwiderstand bei der Rotation gering zu halten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Magnetspiralen von einer Schicht nicht ma­ gnetischen Materials umgeben sind, das insbesondere aus Titan, Edelmetall, Kunststoff oder Keramik besteht und vorzugsweise eine Stärke von unter 0,2 mm aufweist. Dadurch ist ein besonders geringer Luftwiderstand erreichbar.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die ro­ tierbaren Elemente durch einen Abstand von weniger als ein Hundertstel, vorzugs­ weise etwa ein Tausendstel, ihres Durchmessers voneinander getrennt sind. Da­ durch wird zum einen eine verlustarme Kraftübertragung zwischen den Elementen gewährleistet und zum anderen werden geringe beispielsweise temperaturbedingte Verformungen zugelassen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgese­ hen, daß die Elemente eine nicht unterstützte Länge von etwa dem 1 bis 50-fachen, vorzugsweise dem etwa 2-fachen des Durchmessers aufweisen. Grundsätzlich ist es möglich, die Abmessungen der Elemente in weiten Bereichen an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Falls eine den Durchmesser erheblich übersteigende Länge der Elemente erforderlich oder gewünscht ist, kann jedes der Elemente auch mit mehreren Lagern unterstützt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftübertragungssystem mit einer er­ findungsgemäßen Kraftübertragungsvorrichtung, mit einer Antriebseinheit mit An­ triebswelle sowie mit einer Abtriebswelle, die mit einer Last verbindbar ist, wobei das äußerste der rotierbaren Elemente der Kraftübertragungsvorrichtung durch die Antriebseinheit und die Abtriebswelle durch das innerste der rotierbaren Elemente antreibbar ist. Somit kann erreicht werden, daß die Geschwindigkeit und das Drehmoment der Abtriebswelle in Abhängigkeit von der Anzahl der eingesetzten rotierbaren Elemente wählbar ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Steuereinheit und zwei damit verbundene Sensoren vorgesehen sind, durch die die Position der Antriebswelle und/oder des äußeren rotierbaren Elementes sowie die Position der Abtriebswelle und/oder des innersten rotierbaren Elementes erfaßbar sind. Auf diese Weise wird es möglich, eine geeignete relative Position der Elemente zueinander sicherzustellen, wodurch das übertragbare Drehmoment optimiert werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Generator vorgesehen, der durch die Abtriebswelle antreibbar ist und dessen Leistungsaus­ gang wenigstens teilweise zu einer mit der Antriebseinheit verbundenen Energie­ versorgung zurückführbar ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht von drei Gängen der Magnetspiralen eines ersten rotierbaren Elementes im 180°-Schnitt,

Fig. 2: eine perspektivische Ansicht von sechs Gängen der Magnetspira­ len eines zweiten rotierbaren Elementes im 180°-Schnitt,

Fig. 3: eine perspektivische Ansicht von zwölf Gängen der Magnetspiralen eines dritten rotierbaren Elementes im 180°-Schnitt,

Fig. 4: eine perspektivische Ansicht der Anordnung der Magnetspiralen gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 im 180°-Schnitt,

Fig. 5: eine schematische Darstellung der Magnetelemente der Magnet­ spiralen des ersten, zweiten und dritten rotierbaren Elementes,

Fig. 6: eine schematische Darstellung der Anordnung der Magnetspiralen des ersten, zweiten und dritten rotierbaren Elementes,

Fig. 7: eine Längsschnittdarstellung durch die erfindungsgemäßen Ma­ gnetspiralen des ersten, zweiten und dritten rotierbaren Elementes,

Fig. 8: eine schematische Darstellung eines Kraftübertragungssystems mit Kraftübertragungsvorrichtung und

Fig. 9, Fig. 10: die antriebs- und abtriebsseitige Anordnung der rotierbaren Grund­ körper.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen die erfindungsgemäßen Magnetspiralen 12, 22, 32 eines ersten, zweiten und dritten rotierbaren Elementes der erfindungsgemäßen Kraftübertragungsvorrichtung. Die Magnetspiralen 12, 22, 32 bestehen aus versetzt angeordneten Magnetelementen 12', 22', 32', die eine einer idealen Spirale zumin­ dest angenäherte Form aufweisen. Gemäß Fig. 1 sind auf dem dargestellten Län­ genabschnitt des ersten rotierbaren Elementes 3 Gänge der Magnetspiralen 12 vorgesehen. Umfaßt das erste rotierbare Elemente einen Grundkörper zur Fixie­ rung der Magnetspiralen 12, erstrecken sich die Pole der Magnetspiralen 12 bzw. der Magnetelemente 12' von dem Innenumfang der Ausnehmung des Grundkör­ pers.

Fig. 2 zeigt die Magnetspiralen 22 des zweiten rotierbaren Elementes im 180°- Schnitt und verdeutlicht, daß die Anzahl der Gänge pro Längeneinheit gegenüber den Magnetspiralen 12 gemäß Fig. 1 verdoppelt ist. Für den Betrieb der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ist es erforderlich, daß die Pole der Magnetspiralen 22 bzw. der Magnetelemente 22' mit den Polen der Magnetspirale 12 des ersten Ele­ mentes in Wechselwirkung treten können. Das zweite rotierbare Element, das aus den Magnetspiralen 22 bestehen oder diese umfassen kann, ist in der Ausnehmung des ersten rotierbaren Elementes wenigstens teilweise aufnehmbar. Das zweite rotierbare Element weist seinerseits eine Ausnehmung auf, in die sich die Pole der Magnetspiralen 22 erstrecken.

In die Ausnehmung des zweiten rotierbaren Elementes ist gemäß dem vorliegen­ den Ausführungsbeispiel ein drittes rotierbares Element einführbar, das seinerseits die Magnetspiralen 32 aufweist. Erfindungsgemäß weisen diese eine Gangdichte auf, die wenigstens doppelt so groß ist wie die Gangdichte der Magnetspiralen 22 des zweiten rotierbaren Elementes. Um die notwendige Wechselwirkung zwischen dem zweiten Element und dem dritten Element bzw. den zugehörigen Magnetspi­ ralen 22, 32 zu erreichen, erstrecken sich die Magnetspiralen 32 bzw. die Magne­ telemente 32' des dritten Elementes am Außenumfang des dritten Elementes und können somit mit den am Innenumfang des zweiten Elementes befindlichen Polen der Magnetspiralen 22 in Wechselwirkung treten.

Fig. 4 zeigt die Magnetspiralen 12, 22, 32 des ersten, zweiten und dritten rotierba­ ren Elementes und verdeutlicht die Anordnung der Spiralen 12, 22, 32 zueinander. Die Gangdichte der Magnetspiralen steigt erfindungsgemäß von dem äußersten ersten Element zu dem innersten dritten Element.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der Magnetelemente 12', 22' und 32' der rotierbaren Elemente im Querschnitt der erfindungsgemäßen Kraftübertragungsvor­ richtung.

In Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Anordnung der Magnetelemente 12', 22', 32' der rotierbaren Elemente im Längsschnitt dargestellt. Hierbei wird deutlich, daß jeweils eine Magnetspirale des äußersten ersten rotierbaren Elementes zwei Magnetspiralen des zweiten Elementes und diesen jeweils wiederum zwei Magnet­ spiralen des innenliegenden dritten Elementes zugeordnet sind. Die Bezeichnun­ gen N und S verdeutlichen die Polarisation der Magnetelemente. Fig. 6 verdeutlicht, daß einerseits Abstoßungskräfte zwischen den jeweiligen gleichsinnigen Polen der Magnetelemente 12', 22', 32' vorliegen was dazu führt, daß die entsprechenden Magnetspiralen des benachbarten Elementes vor den Magnetspiralen hergescho­ ben werden. Neben diesen Abstoßungskräften liegen Anziehungskräfte vor, die dadurch entstehen, daß beispielsweise vom Nordpol des zweiten Magnetelementes 22' eine Wechselbeziehung zum Südpol des ersten Magnetelementes 12' besteht. Dadurch kommt es zu einer Impulsenergie in Wechselwirkung, wobei die Ge­ schwindigkeit und das Drehmoment von Magnetspirale zu Magnetspirale zu kleine­ ren Durchmessern zunimmt.

Fig. 7 verdeutlicht die Anordnung der Magnetspiralen 12, 22, 32 der rotierbaren Elemente im Längsschnitt. Hierbei wird deutlich, daß die Magnetspiralen 12, 22, 32 sämtlich gleichsinnig angeordnet sind, was zu einer entsprechend gleichsinnigen Rotation der Elemente führt. Die rotierbaren Elemente sind vorzugsweise konzen­ trisch angeordnet und weisen zwischen den aneinander grenzenden Außen- bzw. Innenflächen nur geringe Luftspalte auf, um den entsprechenden Rotationswider­ stand möglichst gering zu halten.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind drei rotierbare Elemente vorgesehen, von denen das äußerste mit einer Antriebseinheit verbunden ist und das innerste mit der Abtriebswelle der erfindungsgemäßen Kraftübertra­ gungsvorrichtung in Verbindung steht. Neben den hier dargestellten drei Magnet­ spiralen bzw. drei rotierbaren Elementen können auch weitere Elemente vorgese­ hen sein, wodurch sich die Rotationsgeschwindigkeit und das Drehmoment erfin­ dungsgemäß entsprechend weiter erhöhen.

Fig. 8 zeigt ein Kraftübertragungssystem mit der erfindungsgemäßen Kraftübertra­ gungsvorrichtung 100, die im vorliegenden Fall aus einem äußeren 10 sowie einem inneren rotierbaren Element 20 besteht. Das äußere rotierbare Element 10 ist mit­ tels der Antriebswelle 210 mit der Antriebseinheit 200 verbunden, die ihrerseits mit der Energieversorgung 600 in Verbindung steht. Die Rotation des äußeren Ele­ mentes 10 bewirkt eine Rotation des inneren Elementes 20 mittels der magneti­ schen Kraftübertragung der (nicht dargestellten) Magnetspiralen. Die Rotation des inneren Elementes 20 wird mittels der Abtriebswelle 310 auf einen Generator 400 übertragen, dessen Leistungsausgang 410 wenigstens teilweise zu der Energiever­ sorgung 600 zurückgeführt wird. Statt des Generators 400 kann auch eine beliebige andere Last vorgesehen sein. An der Energieversorgung 600 ist ein weiterer Ver­ braucher 700 angeschlossen.

Ferner ist eine Steuereinheit 500 vorgesehen, die von der Energieversorgung 600 gespeist wird und die mit den Sensoren 510, 520 in Verbindung steht. Diese erfas­ sen die Positionen der Antriebswelle 210 sowie der Abtriebswelle 310 und überge­ ben diese Daten an die Steuereinheit 500. Diese ermittelt, ob ein günstiger relativer Drehwinkel zwischen beiden Wellen 210, 310 vorhanden ist, und gibt ein entspre­ chendes Signal an die Antriebseinheit 200.

Die Fig. 9 und 10 stellen das antriebs- und abtriebsseitige Ende der rotierbaren Grundkörper 10, 20, 30 dar. Die rotierbaren Grundkörper 10, 20, 30 sind als zylin­ drische Körper ausgeführt und mittels Wälzlagern gelagert. Die rotierbaren Grund­ körper 10, 20, 30 weisen Magnetspiralen auf, deren Pole sich erfindungsgemäß auf deren Innen- oder Außenseite erstrecken.

Fig. 9 verdeutlicht, daß der erste rotierbare Grundkörper 10 das äußerste Element bildet und mit dem Antrieb verbunden ist. Fig. 10 entnimmt man, daß der innenlie­ gende rotierbare Grundkörper 30 mit der Abtriebswelle 310 verbunden ist.

Claims (13)

1. Magnetische Kraftübertragungsvorrichtung mit wenigstens zwei rotierbaren Elementen, die jeweils eine mehrgängige Magnetspirale (12, 22, 32) aufweisen dadurch gekennzeichnet, daß die rotierbaren Elemente wenigstens teilweise ineinander aufnehmbar und derart ausgeführt sind, daß die Gangdichte der Magnetspiralen (12, 22, 32) eines aufgenommenen rotierbaren Elementes wenigstens doppelt so groß ist wie die Gangdichte der Magnetspiralen (12, 22, 32) eines benachbarten, dieses aufnehmenden rotierbaren Elementes.

2. Magnetische Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die rotierbaren Elemente aus den Magnetspiralen (12, 22, 32) bestehen und die Magnetspiralen (12, 22, 32) in ihren Endbereichen drehbar gelagert sind.

3. Magnetische Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die rotierbaren Elemente einen ersten (10) und einen zweiten rotierbaren Grundkörper (20) umfassen, die beide eine oder mehrere Magnetspiralen (12, 22, 32) aufweisen, wobei der erste Grundkörper (10) eine Ausnehmung aufweist, in der der zweite Grundkörper (20) wenigstens teilwei­ se aufnehmbar ist und wobei sich die Pole der Magnetspiralen des ersten Grundkörpers (10) von dem Innenumfang der Ausnehmung und die Pole der Magnetspiralen des zweiten Grundkörpers (20) von dessen Außenumfang er­ strecken.

4. Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Grundkörper (20) eine Ausnehmung zur Aufnahme weiterer rotier­ barer Grundkörper aufweist, wobei die weiteren Grundkörper jeweils eine Ausnehmung und eine oder mehrere Magnetspiralen aufweisen und wobei sich die Pole der Magnetspiralen jeweils an dem Außenumfang der Grundkör­ per sowie an dem Innenumfang der Ausnehmung erstrecken.

5. Kraftübertragungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspiralen (12, 22, 32) aus versetzt oder in Reihe angeordneten Magnetelementen (12', 22', 32') bestehen.

6. Kraftübertragungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel der Magnetspiralen (12, 22, 32) 2° bis etwa 60°, vorzugsweise 5° bis 30° und insbesondere etwa 15° beträgt.

7. Kraftübertragungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundkörper (10, 20) eine zylindrische Außen- und Innenfläche aufweisen.

8. Kraftübertragungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspiralen (12, 22, 32) von einer Schicht nichtmagnetischen Materials umgeben sind, das insbesondere aus Titan, Edelmetall, Kunststoff oder Keramik besteht und vorzugsweise eine Stärke von unter 0,2 mm aufweist.

9. Kraftübertragungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierbaren Elemente durch einen Ab­ stand von weniger als 1/100, vorzugsweise etwa 1/1000 ihres Durchmessers, voneinander getrennt sind.

10. Kraftübertragungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierbaren Elemente eine nicht unter­ stützte Länge von etwa dem 1 bis 50-fachen, vorzugsweise dem etwa 2-fa­ chen des Durchmessers aufweisen.

11. Kraftübertragungssystem gekennzeichnet durch eine Kraftübertragungsvorrichtung (100) nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 10, mit einer Antriebseinheit (200) mit Antriebswelle (210) sowie mit einer Abtriebswelle (310), die mit einer Last verbindbar ist, wobei das äu­ ßerste der rotierbaren Elemente (10) der Kraftübertragungsvorrichtung (100) durch die Antriebseinheit (200) und die Abtriebswelle (310) durch das innerste der rotierbaren Elemente (20) antreibbar ist.

12. Kraftübertragungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (500) und zwei damit verbundene Sensoren (510, 520) vor­ gesehen sind, durch die die Position der Antriebswelle (210) und/oder des äußersten rotierbaren Elementes (10) sowie die Position der Abtriebswelle (310) und/oder des innersten rotierbaren Elementes (20) erfaßbar sind.

13. Kraftübertragungssystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Generator (400) vorgesehen ist, der durch die Abtriebswelle (310) antreibbar ist und dessen Leistungsausgang (410) wenigstens teilweise zu ei­ ner mit der Antriebseinheit (200) verbundenen Energieversorgung (600) zu­ rückführbar ist.