DE19943019A1 - Hydrodynamische Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine hydrodynamische Vorrichtung (10) umfasst wenigstens ein, vorzugsweise wenigstens zwei bezüglich einander um eine Drehachse (A) drehbare Schaufelräder (18, 38, 48; 18') und ein Arbeitsfluid, welches durch das wenigstens eine Schaufelrad (18, 38, 48; 18') zur Bewegung antreibbar ist. Das Arbeitsfluid ist elektrisch leitend und es ist eine Vorrichtung (34; 16', 36') zur Erzeugung eines im Bereich der Arbeitsfluidzirkulation liegenden Magnetfeldes vorgesehen. Ferner ist eine Vorrichtung (82, 16, 36, 78, 80, 84, 86; 34') zum Erzeugen eines elektrischen Stromflusses durch das Arbeitsfluid hindurch vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydrodynamische Vorrichtung, umfassend wenigstens ein, vorzugsweise wenigstens zwei bezüglich einander um eine Drehachse drehbare Schaufelräder und ein Arbeitsfluid, welches durch das wenigstens eine Schaufelrad zur Bewegung antreibbar ist.

Aus der DE 197 36 297 A1 ist eine hydrodynamische Vorrichtung in Form eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers bekannt, bei welcher zum Verändern der Wandlerkennung ein durch Druckbeaufschlagung verschieb­ bares Drosselelement vorgesehen ist. Das Drosselelement ist wahlweise zwischen einer vorgeschobenen Stellung, in welcher es mit einem Drossel­ vorsprung in die Fluidzirkulation im Bereich des Pumpenrades eingreift, und einer zurückgezogenen Stellung, in welcher ein derartiger Eingriff im wesentlichen nicht vorhanden ist, verschiebbar. Bei in die Fluidzirkulation vorgeschobenem Drosselvorsprung wird die Fluidzirkulation behindert, so dass die fluiddynamische Kopplung zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad zumindest gemindert ist. Dieser Zustand wird insbesondere beim Anlassen des Antriebsaggregats eingenommen, so dass durch die zumindest geminderte oder fehlende Leistungsübertragungskapazität des Drehmomentwandlers die zum Anlassen des Antriebsaggregats erforderliche Energie herabgesetzt ist. Im normalen Wandlerbetrieb kann durch Zurückzie­ hen des Drosselelementes die Zirkulation freigegeben werden und somit der Wandler seine Funktion zum Übertragen und Wandeln des vom Antriebs­ aggregat her eingeleiteten Drehmomentes wahrnehmen.

Der Aufbau dieses bekannten hydrodynamischen Drehmomentwandlers ist relativ komplex, da er das Vorsehen eines auch bei Vorherrschen eines relativ hohen Fluiddrucks im Wandlerinneren verschiebbaren Drossel­ elementes und das Bereitstellen von Ansteuerleitungen für dieses Drossel­ element erfordert. Da eine zusätzliche, im Betrieb mechanisch verschiebbare Komponente vorgesehen werden muss, besteht weiterhin die Gefahr einer Fehlfunktion, beispielsweise wenn sich aufgrund von Vibrationen das Drosselelement verklemmt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine hydrodynamische Vorrichtung vorzusehen, mit welcher in zuverlässiger Art und Weise Einfluss auf das Strömungsverhalten eines zur Drehmomentübertragung beitragen­ den Arbeitsfluids genommen werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine hydrodynamische Vorrichtung, umfassend wenigstens ein, vorzugsweise wenigstens zwei bezüglich einander um eine Drehachse drehbare Schaufel­ räder und ein Arbeitsfluid, welches durch das wenigstens eine Schaufelrad zur Bewegung antreibbar ist.

Bei dieser hydrodynamischen Vorrichtung ist weiterhin vorgesehen, dass das Arbeitsfluid elektrisch leitend ist, dass eine Vorrichtung zur Erzeugung eines im Bereich der Arbeitsfluidzirkulation liegenden Magnetfeldes vorgesehen ist, und dass eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Stromflusses durch das Arbeitsfluid hindurch vorgesehen ist.

Bei einer derartigen erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer hydrodynami­ schen Vorrichtung wird durch die Wechselwirkung eines Magnetfeldes mit einem im Bereich des Magnetfeldes fließenden Stromes eine Lorentzkraft erzeugt. Da der Stromfluss durch das Arbeitsfluid hindurch stattfindet, wirkt die Lorentzkraft auch auf das Arbeitsfluid. Je nach Magnetfeldrichtung und Stromflussrichtung kann dadurch bezüglich der vorhandenen oder vor­ zusehenden Strömungsrichtung des Arbeitsfluids eine dieses Arbeitsfluid beschleunigende oder verzögernde Kraft erzeugt werden. Im Falle mehrerer vorhandener Schaufelräder, beispielsweise bei einem hydrodynamischen Drehmomentwandler, führt dies letztendlich zu einer Veränderung der Wandlercharakteristik.

Man erkennt also, dass durch geeignete Auswahl der Magnetfeldrichtung und der Stromflussrichtung eine Einwirkung auf das Arbeitsfluid erzielt werden kann, welche, beispielsweise bei einer hydrodynamischen Kupplung oder einem hydrodynamischen Wandler, zu einer Minderung der fluiddyna­ mischen Kopplung zwischen zwei Schaufelrädern beiträgt, nämlich dann, wenn die erzeugte Lorentzkraft die Fluidzirkulation behindert, d. h. das Arbeitsfluid abbremst. Wird eine Lorentzkraft erzeugt, welche in der Fluidströmungsrichtung gerichtet ist, so wird das Arbeitsfluid beschleunigt, was letztendlich zu einer stärkeren fluiddynamischen Kopplung und damit zu einer verbesserten Drehmomentübertragung zwischen zwei Schaufelrä­ dern führt. Dieser Effekt ist mit dem mechanisch verschiebbaren Drossel­ element, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht erzielbar. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße hydrodynamische Vorrichtung auch als Antrieb eingesetzt werden, da beispielsweise auch bei festgehalte­ nem Pumpenrad durch Erzeugung der Lorentzkraft das Arbeitsfluid in Zirkulation versetzt werden kann und somit das Turbinenrad zur Drehung angetrieben werden kann.

Um bei der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Vorrichtung die Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und einem Stromfluss mit hoher Effizienz nutzen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Stromfluss­ richtung wenigstens in einem Bereich nicht-parallel, vorzugsweise im wesentlichen orthogonal, zu der Magnetfeldrichtung in diesem Bereich ist.

Zu einer hohen Effizienz beim Beeinflussen der Strömungscharakteristik des Arbeitsfluids trägt auch die Maßnahme bei, dass die Magnetfeldrichtung wenigstens in einem Bereich nicht-parallel, vorzugsweise im wesentlichen orthogonal, zu einer Arbeitsfluidströmungsrichtung in diesem Bereich ist;

weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Stromflussrichtung wenigstens in einem Bereich nicht-parallel, vorzugsweise orthogonal, zu einer Arbeitsfluid­ strömungsrichtung in diesem Bereich ist.

Eine hohe Effizienz bei der Erzeugung bzw. Übertragung von Drehmomenten kann auch dadurch erhalten werden, dass wenigstens eines der Schaufelrä­ der eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Schaufeln aufweist.

Da bei einer derartigen Ausgestaltung die Fluidzirkulation entlang eines Zwischenraums zwischen jeweils aufeinander in Umfangsrichtung folgenden Schaufeln stattfindet, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, dass das Magnetfeld sich im Bereich zwischen wenigstens zwei Schaufeln von wenigstens einem Schaufelrad erstreckt.

Der zwischen zwei Schaufeln vorhandene Zwischenraum kann zur vorangehend angesprochenen Erzeugung der das Arbeitsfluid beschleuni­ genden oder verzögernden Lorentzkraft in bestmöglicher Art und Weise genutzt werden, wenn das Magnetfeld sich von einer der wenigstens zwei Schaufeln zur anderen der wenigstens zwei Schaufeln erstreckt. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei wenigstens einem der Schaufelrä­ der im Bereich von wenigstens einer Schaufel, vorzugsweise bei mehreren oder allen Schaufeln, Maßnahmen zur Erzeugung des Magnetfeldes vorgesehen sind.

Das Magnetfeld kann beispielsweise dadurch in sehr einfacher Art und Weise erzeugt werden, dass die wenigstens eine Schaufel, vorzugsweise mehrere oder alle Schaufeln permanent-magnetisch sind. Gleichwohl sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch im Bereich wenigstens einer Schaufel Vorkehrungen zum Erzeugen eines Magnetfeldes durch einen Stromfluss getroffen sein können.

Bei der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Vorrichtung ist vorzugsweise ferner vorgesehen, dass wenigstens eines der Schaufelräder ein Schaufel­ radaußenelement und ein Schaufelradinnenelement aufweist. Das Vorhan­ densein dieser Schaufelradelemente wird erfindungsgemäß vorzugsweise dazu genutzt, dass die Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Stromflusses durch das Arbeitsfluid hindurch zum Erzeugen einer elek­ trischen Potentialdifferenz zwischen dem Schaufelradaußenelement und dem Schaufelradinnenelement von wenigstens einem der Schaufelräder ausgebildet ist. Es können hier also bei einem Schaufelrad vorhandene Baugruppen oder Komponenten zusätzlich auch zum Aufbau der Potential­ differenz herangezogen werden, so dass auf das Vorsehen separater Bauteile oder Baugruppen hierfür verzichtet werden kann.

Um den Stromfluss durch das Arbeitsfluid hindurch zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass das Schaufelradaußenelement und das Schaufelradin­ nenelement wenigstens bereichsweise in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Arbeitsfluid stehen oder bringbar sind. Hier sei darauf hingewiesen, dass durch geeignete Auswahl bestimmter Bereiche Einfluss auf die Stromflussrichtung zwischen dem Schaufelradaußenelement und dem Schaufelradinnenelement und somit auf die daraus resultierende Lorentzkraft bzw. deren Richtung genommen werden kann.

Ferner wird vorgeschlagen, dass bei dem wenigstens einen Schaufelrad das Schaufelradaußenelement und das Schaufelradinnenelement durch elektrische Leitungsanordnungen in Verbindung mit einer elektrischen Spannungsquelle stehen oder bringbar sind.

Bei einer alternativen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen hydrody­ namischen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Magnetfeld sich im Bereich zwischen dem Schaufelradaußenelement und dem Schaufelradinnen­ element von wenigstens einem der Schaufelräder erstreckt. Auch hier kann der gesamte für die Fluidbewegung zur Verfügung stehende Raum zwischen dem Schaufelradaußenelement und dem Schaufelradinnenelement zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselwirkung genutzt werden, wenn das Magnetfeld sich von dem Schaufelradaußenelement zum Schaufelradin­ nenelement oder umgekehrt erstreckt.

In diesem Falle sind vorzugsweise an dem Schaufelradaußenelement oder/und dem Schaufelradinnenelement Maßnahmen zur Erzeugung des Magnetfeldes vorgesehen, bei welchem beispielsweise wiederum das Schaufelradaußenelement oder/und das Schaufelradinnenelement perma­ nentmagnetisch sein kann.

Bei dieser Ausgestaltungsform, bei welcher das Magnetfeld sich im wesentlichen zwischen dem Schaufelradaußenelement und dem Schaufelrad­ innenelement oder umgekehrt erstreckt, ist vorzugsweise zum Erzeugen einer Lorentzkraft mit hoher Effizienz vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des elektrischen Stromflusses durch das Arbeitsfluid hindurch zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen wenigstens zwei Schaufeln bei wenigstens einem der Schaufelräder ausgebildet ist. Auf diese Art und Weise wird zum einen erreicht, dass die Stromflussrichtung im wesentlichen orthogonal zur Magnetfeldrichtung stehen kann und dass darüber hinaus die daraus resultierende Lorentzkraft zumindest in Bereichen der Bewegung des Arbeitsfluides parallel zur Bewegungsrichtung steht.

Hierbei wird ferner vorgeschlagen, dass die wenigstens zwei Schaufeln wenigstens bereichsweise in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Arbeitsfluid stehen oder bringbar sind, und dass die wenigstens zwei Schaufeln durch elektrische Leitungsanordnungen in Verbindung mit einer elektrischen Spannungsquelle stehen oder bringbar sind.

Um dafür zu sorgen, dass der Stromfluss zwischen gewünschten Bereichen stattfinden und kein Kurzschluss über andere Komponenten der hydrodyna­ mischen Vorrichtung auftreten kann, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Teil der Schaufeln bezüglich des Schaufelradaußenelements und des Schaufelradinnenelements elektrisch isoliert ist.

Wie bereits vorangehend angesprochen, kann die erfindungsgemäße hydrodynamische Vorrichtung insbesondere dann, wenn sie zur Drehmo­ mentübertragung eingesetzt werden soll, wenigstens ein Pumpenrad und wenigstens ein Turbinenrad als Schaufelräder umfassen. Soll auch noch die Funktion einer effizienten Drehmomentwandlung erfüllt werden, ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße hydrodynamische Vorrichtung als Schaufelrad ferner wenigstens ein Leitrad umfasst.

Bei derartiger Ausgestaltung der hydrodynamischen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Magnetfeld und der Stromfluss durch das Arbeitsfluid hindurch im Bereich des wenigstens einen Pumpenrads oder/und im Bereich des wenigstens einen Turbinenrads erzeugt werden. Da im allgemeinen das Pumpenrad bei derartigen Vorrichtungen eine Außenschale bildet, ist die Erzeugung des Magnetfeldes bzw. des Stromflusses im Bereich des Pumpenrads aufgrund der einfacheren Heranführung elektrischer Leitungen an dieses vorteilhaft.

Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass das Magnetfeld und der Stromfluss durch das Arbeitsfluid hindurch im Bereich des wenigstens einen Leitrads erzeugt werden.

Um für eine effiziente Beeinflussung des Strömungsverhaltens des Arbeitsfluids elektrische Verluste so gering wie möglich zu halten, wird vorgeschlagen, dass das Arbeitsfluid einen spezifischen Widerstand im Bereich von 10^-7 Ωm bis 100 Ωm aufweist.

Beispielsweise kann das Arbeitsfluid Wasser sein, vorzugsweise das Kühlwasser eines Antriebsaggregats, oder ein Kühlmedium eines Antriebs­ aggregats. Es ist auch denkbar, eine Säure, vorzugsweise Schwefelsäure, oder eine Lauge als Arbeitsfluid einzusetzen.

Die erfindungsgemäße hydrodynamische Vorrichtung kann, wie bereits ausgeführt, als hydrodynamische Kopplungseinrichtung, vorzugsweise hydrodynamischer Drehmomentwandler oder Fluidkupplung, ausgebildet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausgestaltungsformen detailliert beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Teil-Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen hydrody­ namischen Kopplungseinrichtung in Form eines Drehmom­ entwandlers;

Fig. 2 eine Teil-Axialansicht des im Drehmomentwandler der Fig. 1 eingesetzten Pumpenrads;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer bei einer alternativen Ausgestaltungsart einsetzbaren Schaufel;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestal­ tungsform eines Schaufelrades.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße hydrodynamische Vor­ richtung in Form eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers 10. Der Drehmomentwandler 10 umfasst ein Gehäuse 12, das einen Gehäusedeckel 14 und eine Pumpenradaußenschale 16 eines allgemein mit 18 bezeichneten Pumpenrades aufweist. Radial innen ist die Pumpenradaußenschale 16 mit einer Pumpenradnabe 20 beispielsweise durch Verschweißung fest verbunden. Die Pumpenradnabe 20 kann in an sich bekannter Weise eine Fluidpumpe antreiben, durch welche Fluid in den Innenraum 22 des Drehmomentwandlers 10 geleitet werden kann. In seinem radial äußeren Bereich trägt der Gehäusedeckel 14 mehrere mutternartige Kopplungs­ elemente 22, welche mit einer beispielsweise als Flexplatte ausgebildeten Verbindungsanordnung 24 drehfest mit einer um eine Drehachse A drehbaren Antriebswelle 26, beispielsweise einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, fest verbunden ist. Ein Lagerzapfen 28, welcher zentrisch am Gehäusedeckel 14 angebracht ist, kann in eine zugeordnete Ausnehmung 30 der Antriebswelle 26 eingreifen und somit für eine Zentrierung des Drehmomentwandlers 10 bezüglich der Antriebswelle 26 sorgen.

An ihrer Innenoberfläche 32 trägt die Pumpenradaußenschale 16 eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordneten Pumpenradschaufeln 34, die an ihrem von der Pumpenradaußenschale 16 entfernt liegenden Bereich durch eine Pumpenradinnenschale 36 miteinander verbunden sind.

Im Innenraum 22 des Drehmomentwandlers 10 ist ferner ein allgemein mit 38 bezeichnetes Turbinenrad vorgesehen, das eine Turbinenradaußenschale 40 und eine mit der Turbinenradaußenschale beispielsweise durch Vernietung drehfest verbundene Turbinenradnabe 42 aufweist. Die Turbinenradaußenschale 40 trägt wiederum eine Mehrzahl von in Umfangs­ richtung aufeinander folgenden Turbinenradschaufeln 44, die an ihrem von der Turbinenradaußenschale 40 entfernt liegenden Bereich wiederum durch eine Turbinenradinnenschale 46 miteinander verbunden sind. Die Turbinen­ radnabe 42 kann in an sich bekannter Weise durch Axialverzahnung o. dgl. mit einer nicht dargestellten Getriebeeingangswelle zur Abgabe des Drehmomentes drehfest verbunden werden.

Axial zwischen dem Pumpenrad 18 und dem Turbinenrad 38 ist ein mit 48 bezeichnetes Leitrad vorgesehen. Das Leitrad 48 umfasst bezogen auf die Drehachse A einen Leitradinnenring 50, der bezogen auf die Fluidzirkulation ein den Außenschafen entsprechendes Außenelement bildet, von welchem nach radial außen mehrere in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnete Leitradschaufeln 52 abstehen. In ihrem von der Drehachse A entfernt liegenden Endbereich sind die Leitradschaufeln 52 durch einen Leitradaußenring 54 wiederum miteinander verbunden, der bezogen auf die Fluidzirkulation ein den Innenschalen entsprechendes Innenelement bildet. Das Leitrad 48, d. h. der Leitradinnenring 50 desselben ist über einen Freilauf 56 auf einem nicht dargestellten Stützelement, das koaxial zur Getriebeein­ gangswelle angeordnet ist und diese umgibt und koaxial innerhalb der Pumpenradnabe 20 liegt, getragen. Der Freilauf 56 ermöglicht eine Drehung des Leitrads 48 um die Drehachse A in einer Drehrichtung, blockiert jedoch das Leitrad 48 gegen Drehung in entgegengesetzter Richtung.

Das Leitrad 48 ist durch zwei Lager 58, 60, welche beispielsweise Wälzkörperlager oder Gleitlager sein können, axial an dem Pumpenrad 18 einerseits und dem Turbinenrad 38 andererseits abgestützt. Ferner ist das Turbinenrad 38 über ein weiteres Lager 62, welches beispielsweise wiederum ein Gleitlager oder Wälzkörperlager sein kann, axial am Gehäuse­ deckel 14 abgestützt. Der Drehmomentwandler 10 umfasst ferner eine Überbrückungskupplung 64 mit einem Kupplungskolben 66. Der Kupplungs­ kolben 66 ist über einen Torsionsschwingungsdämpfer 68 mit dem Turbinenrad 38 drehfest verbunden. In seinem radial inneren Bereich ist der Kolben 66 auf der Turbinenradnabe 42 unter Zwischenlagerung eines Dichtungselements 68 fluiddicht, jedoch axial verstellbar aufgenommen. In seinem radial äußeren Bereich ist der Kupplungskolben 66 unter Zwischen­ lagerung eines Reibbelags 70 zur Herstellung eines Überbrückungszustandes des Drehmomentwandlers 10 gegen den Gehäusedeckel 14 pressbar. Um dies zu erhalten, wird in dem Fluidraum zwischen dem Kupplungskolben 66 und der Pumpenradaußenschale 16 der Fluiddruck bezüglich eines Fluiddrucks in einem zwischen dem Kolben 66 und dem Gehäusedeckel 14 gebildeten Fluidraum erhöht.

Bei dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen Drehmomentwandler sind Maßnahmen vorgesehen, die eine Beeinflussung des Strömungsverhaltens des zwischen dem Pumpenrad 18, dem Turbinenrad 38 und dem Leitrad 48 zirkulierenden Arbeitsfluids ermöglichen. In der dargestellten Ausgestal­ tungsform umfassen diese Maßnahmen zum einen permanentmagnetisch ausgebildete Pumpenradschaufeln 34. Wie man insbesondere in Fig. 2 erkennt, sind die Pumpenradschaufeln 34 derart magnetisiert, dass sie an ihren in Umfangsrichtung liegenden Seitenflächen 72, 74 einen Nordpol bzw. einen Südpol aufweisen. In den durch jeweils zwei Pumpenrad­ schaufeln 34, die Pumpenradaußenschale 16 und die Innenschale 36 umschlossenen Fluidströmungskanälen 76, in welchen das Fluid in einer Strömungsrichtung S strömen wird, erstrecken sich daher Magnetfeldlinien von der als Nordpol ausgebildeten Seite 72 einer Pumpenradschaufel 34 zu einer als Südpol ausgebildeten Seite 74 einer in Umfangsrichtung un­ mittelbar folgenden Pumpenradschaufel 34. Diese Magnetfeldrichtung ist in Fig. 2 mit M bezeichnet.

Zusätzlich zu der Erzeugung des Magnetfeldes ist der erfindungsgemäße Drehmomentwandler derart ausgebildet, dass in diesem Bereich, in welchem sich zwischen den Pumpenradschaufeln 34 Magnetfeldlinien erstrecken, ein elektrischer Stromfluss durch das dort angeordnete Arbeitsfluid stattfindet. Zu diesem Zwecke ist, wie in Fig. 1 erkennbar, die Pumpenradinnenschale 36 über eine elektrische Leitung 78, welche einen Schleifkontakt 80 aufweist, in Verbindung mit einem Steuergerät 82, das eine Spannungs­ quelle 84 aufweisen kann, oder mit einer Spannungsquelle zusammen­ arbeiten kann. Über einen zweiten Schleifkontakt 86 ist das Pumpenrad 18, d. h. die Pumpenradnabe 20 und somit auch die damit fest verbundene Pumpenradaußenschale 16, ebenfalls in Verbindung mit dem Steuergerät 82. Da die Pumpenradaußenschale 16 und die Pumpenradinnenschale 36 im allgemeinen aus Metall, beispielsweise aus tiefgezogenem Blech, hergestellt sind, führt das Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der Pumpenrad­ außenschale 16 und der Pumpenradinnenschale 36 zu einem Stromfluss durch das Arbeitsfluid hindurch, welches dann selbstverständlich elektrisch leitend sein muss. Hierzu kann beispielsweise das Arbeitsfluid Wasser, aber auch eine Säure, wie z. B. Schwefelsäure, oder eine Lauge sein. Ferner muss dafür gesorgt werden, dass die im allgemeinen ebenfalls aus Metall hergestellten Pumpenradschaufeln 34 in ihren jeweiligen Kontakt- oder Verbindungsbereichen zur Pumpenradaußenschale 16 und zur Pumpenradin­ nenschale 36 hin bezüglich dieser Komponenten isoliert sind, um hier die Erzeugung eines Kurzschlusses zu vermeiden.

Wie in Fig. 2 erkennbar, wird sich also ein durch Stromflusspfeile P dargestellter Stromfluss einstellen, der in großen Bereichen der Fluid­ strömungskanäle 76 annähernd orthogonal zur Magnetfeldrichtung M stehen wird. Die Folge daraus ist, dass, wie in Fig. 2 erkennbar, eine Lorentzkraft L erzeugt wird, die im dargestellten Beispiel näherungsweise parallel zur Fluidströmungsrichtung S und in dieser Richtung S gerichtet ist. Da als Stromträger das Arbeitsfluid dient, wirkt also diese Lorentzkraft auf das Arbeitsfluid und wird im dargestellten Beispiel dieses in der Strömungs­ richtung S beschleunigen. Eine Umkehr der Stromflussrichtung hätte zur Folge, dass die Lorentzkraft entgegen der Strömungsrichtung S gerichtet wäre und somit zu einer Verzögerung des Fluids bei seiner Strömung in der Richtung S führen würde.

Durch die Auswahl der Stärke des durch das Arbeitsfluid hindurch fließenden Stromes und der Stromflussrichtung kann also das in den Kanälen 76 zirkulierende Fluid hinsichtlich seiner Strömungscharakteristik bzw. seines Strömungsverhaltens beeinflusst werden. Ein verzögertes Arbeitsfluid hat zur Folge, dass die Drehmomentübertragungskopplung zwischen dem Pumpenrad 18 und dem Turbinenrad 38 vermindert wird. Die Folge davon ist, dass der Wandler "weicher" wird und somit ein Zustand vorliegt, der sich insbesondere zum Anlassen einer Brennkraftmaschine eignet, da dann keine überflüssigen Komponenten eines Antriebsstrangs mitgeschleppt werden. Ein in seiner Strömungsrichtung beschleunigtes Fluid hat zur Folge, dass die Wandlerkennung "härter" wird, d. h. die Drehmo­ mentübertragungskopplung zwischen dem Pumpenrad 18 und dem Turbinenrad 38 wird stärker.

Durch die Möglichkeit, das Arbeitsfluid bei seiner Zirkulation beschleunigen zu können, ist der erfindungsgemäße Drehmomentwandler auch dazu in der Lage, die in das Arbeitsfluid eingebrachte elektrische Energie in kinetische Energie umzusetzen und somit das Turbinenrad 38 mit bezüglich einem nicht beschleunigten Zustand des Arbeitsfluids erhöhter Drehzahl anzutrei­ ben. Dies kann letztendlich auch dazu genutzt werden, alleine mit dem erfindungsgemäßen Wandler oder einer entsprechenden Vorrichtung ein Antriebsmoment zu erzeugen, wenn nämlich das beim Drehmomentwandler 10 als Pumpenrad 18 dienende Schaufelrad drehfest gehalten wird und durch Erzeugung des Stromflusses und die daraus resultierende Lorentzkraft das Arbeitsfluid zur Zirkulation angetrieben wird und dementsprechend auch das Turbinenrad 38 in Drehung versetzt wird.

Es sei darauf hingewiesen, dass bei dem in Fig. 1 dargestellten Wandler verschiedene Maßnahmen ergriffen werden können, um den vorangehend beschriebenen Mechanismus beim Verzögern bzw. beim Beschleunigendes Arbeitsfluids zu beeinflussen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass durch Aufbringung von isolierenden Beschichtungen auf die Pumpenrad­ außenschale 16 bzw. Pumpenradinnenschale 36 lediglich zwischen bestimmten Bereichen derselben ein Stromfluss stattfinden kann, was letztendlich eine Beeinflussung der Stromflussrichtung und infolge dessen auch eine Beeinflussung der Richtung der Lorentzkraft zur Folge haben kann. Es ist somit möglich, das Arbeitsfluid nicht nur in Strömungsrichtung S zu beschleunigen, sondern beispielsweise auch auf die Pumpenradaußen­ schale 16 zu oder von dieser weg zu beschleunigen, um hier gezielt in verschiedenen Bereichen der Fluidströmungskanäle 76 das Auftreten von Kavitationseffekten zu vermeiden.

Ferner sei darauf verwiesen, dass alternativ oder zusätzlich zu der vorangehend beschriebenen Ausgestaltung des Pumpenrads 18 auch oder alternativ das Turbinenrad 38 oder/und das Leitrad 48 zur Erzeugung derartiger Effekte genutzt werden können. Das Pumpenrad 18 bietet sich daher an, da es den Wandler 10 nach außen hin abschließt und somit die Zuführung elektrischer Leitungen zu diesem besonders einfach ist. Weiter ist es selbstverständlich, dass das Prinzip der vorliegenden Erfindung nicht nur bei einem Drehmomentwandler, sondern auch bei einer Hydrokupplung, also einer entsprechenden Vorrichtung ohne Leitrad, bei jeder Art von durchströmter Turbine, oder auch bei einer Pumpe mit nur einem Schaufel­ rad Anwendung finden kann. Des weiteren kann der Aufbau des erfindungs­ gemäßen Drehmomentwandlers auch insofern verändert werden, als nicht alle in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Schaufeln als Permanentma­ gnete ausgebildet sein müssen. Auch das Ausbilden vereinzelter Schaufeln als Permanentmagnete führt zu dem vorangehend beschriebenen Effekt, wenn auch mit verminderter Effizienz, da dann die Magnetfeldlinien am Nordpol dieser Schaufeln austreten, sich in die Fluidströmungskanäle hinein erstrecken und am Südpol der selben Schaufel wieder eintreten. Es kann also nicht für eine so gleichmäßige Durchsetzung der Fluidströmungskanäle 76 mit einem Magnetfeld gesorgt werden, wie dies bei der dargestellten Ausgestaltungsform der Fall ist.

Ferner kann eine Abwandlung auch dahingehend stattfinden, dass eine Vertauschung von Magnetfeldrichtung und Stromflussrichtung stattfindet. Das heißt, es können beispielsweise, wie in Fig. 4 dargestellt, die Pumpen­ radaußenschale 16' und die Pumpenradinnenschale 36' als Permanentmag­ nete ausgebildet werden, so dass die Magnetfeldlinien sich von der einen Schale zur anderen hin erstrecken. In diesem Falle muss dann dafür gesorgt werden, dass der Stromfluss zwischen einzelnen Pumpenradschaufeln 34' stattfindet. Zu diesem Zwecke können, wie in Fig. 3 dargestellt, die Pumpenradschaufeln 34' ein zentrales Trägerelement 90' aufweisen, das mit seinen Verbindungsansätzen 92', 94' an der Pumpenradaußenschale 16' bzw. der Pumpenradinnenschale 36' angebracht werden kann. An beiden in Umfangsrichtung gelegenen Seiten sind an dem Träger 90' elektrisch leitende Elemente 96', 98' vorgesehen, die durch den Träger 90' bezüglich einander isoliert sind. Dies kann beispielsweise durch Aufkleben metallischer Komponenten oder durch Beschichten, beispielsweise Bedampfen, des Trägers 90' erfolgen. Zur Erzeugung eines Stromflusses zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Schaufeln 34' werden dann alle an einer Umfangsseite liegenden leitenden Elemente, beispielsweise alle leitenden Elemente 96' der Schaufeln 34', auf das gleiche elektrische Potential gebracht, und alle anderen leitenden Elemente 98' werden auf ein gemeinsames anderes elektrisches Potential gebracht. Es findet somit zwischen allen Schaufeln 34' ein Stromfluss in der gleichen Umfangs­ richtung statt. Da bei dieser Ausgestaltungsform der Träger 90' entweder aus isolierendem Material bestehen muss oder an seiner Außenoberfläche isoliert ausgebildet sein muss, um einen Kurzschluss zwischen den leitenden Elementen 96', 98' zu vermeiden, ist gleichzeitig dafür gesorgt, dass die leitenden Elemente 96', 98' bezüglich der Schalen 16', 36' isoliert sind. Selbstverständlich ist auch dieses Prinzip der Erzeugung einer Lorentzkraft bei einem Turbinenrad oder einem Leitrad einsetzbar. Die einzelnen elektrisch leitenden Elemente 96', 98' können mit der Spannungsquelle bzw. der Steuervorrichtung durch entsprechende elektrische Leitungen, die beispielsweise durch Aufdampfen entsprechender bezüglich der Schalen 16', 36' isolierter Leiterabschnitte ausgebildet sind, verbunden sein.

Durch die vorliegende Erfindung ist eine hydrodynamische Vorrichtung, beispielsweise in Form eines Drehmomentwandlers vorgesehen, bei dem durch einfache Maßnahmen das Strömungsverhalten eines Arbeitsfluids beeinflusst werden kann, um infolge dessen das Arbeitsverhalten einer derartigen Vorrichtung gezielt beeinflussen zu können. Es kann damit eine Anpassung an verschiedene Betriebszustände eines eine derartige Vor­ richtung enthaltenden Gesamtsystems, beispielsweise eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, vorgenommen werden, beispielsweise zum Anlassen einer Brennkraftmaschine im wesentlichen ohne Drehmomentübertragungs­ kopplung zwischen Pumpenrad und Turbinenrad oder zum Erzeugen eines alleinigen unterstützenden Antriebsmomentes im Bereich des Drehmoment­ wandlers.

Claims (28)

1. Hydrodynamische Vorrichtung (10), umfassend wenigstens ein, vorzugsweise wenigstens zwei bezüglich einander um eine Drehachse (A) drehbare Schaufelräder (18, 38, 48; 18') und ein Arbeitsfluid, welches durch das wenigstens eine Schaufelrad (18, 38, 48; 18') zur Bewegung antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet,

• - dass das Arbeitsfluid elektrisch leitend ist,
• - dass eine Vorrichtung (34; 16', 36') zur Erzeugung eines im Bereich der Arbeitsfluidzirkulation liegenden Magnetfeldes vorgesehen ist, und
• - dass eine Vorrichtung (16, 36, 78, 80, 82, 84, 86; 34') zum Erzeugen eines elektrischen Stromflusses durch das Arbeits­ fluid hindurch vorgesehen ist.

2. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromflussrichtung (P) wenigstens in einem Bereich nicht-parallel, vorzugsweise im wesentlichen or­ thogonal, zu der Magnetfeldrichtung (M) in diesem Bereich ist.

3. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldrichtung (M) wenig­ stens in einem Bereich nicht-parallel, vorzugsweise im wesentlichen orthogonal, zu einer Arbeitsfluidströmungsrichtung (S) in diesem Bereich ist.

4. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromflussrichtung (P) wenigstens in einem Bereich nicht-parallel, vorzugsweise orthogonal, zu einer Arbeitsfluidströmungsrichtung (S) in diesem Bereich ist.

5. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Schaufelräder (18, 38, 48; 18') eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Schaufeln (34, 44, 52; 34') aufweist.

6. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld sich im Bereich zwischen wenigstens zwei Schaufeln (34) von wenigstens einem Schaufelrad (18) erstreckt.

7. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld sich von einer der wenigstens zwei Schaufeln (34) zur anderen der wenigstens zwei Schaufeln (34) erstreckt.

8. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem der Schaufelrä­ der (18) im Bereich von wenigstens einer Schaufel (34), vorzugs­ weise bei mehreren oder allen Schaufeln, Maßnahmen zur Erzeugung des Magnetfeldes vorgesehen sind.

9. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaufel (34), vorzugsweise mehrere oder alle Schaufeln permanent-magnetisch sind.

10. , Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Schaufelräder (18, 38, 48; 18') ein Schaufelradaußenelement (16, 40, 50; 16') und ein Schaufelradinnenelement (36, 46, 54; 36') aufweist.

11. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16, 36, 78, 80, 82, 84, 86) zum Erzeugen eines elektrischen Stromflusses durch das Arbeitsfluid hindurch zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdiffe­ renz zwischen dem Schaufelradaußenelement (16) und dem Schaufel­ radinnenelement (36) von wenigstens einem der Schaufelräder (18) ausgebildet ist.

12. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelradaußenelement (16) und das Schaufelradinnenelement (36) wenigstens bereichsweise in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Arbeitsfluid stehen oder bringbar sind.

13. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem wenigstens einen Schaufelrad (18) das Schaufelradaußenelement (16) und das Schaufelradinnen­ element (36) durch elektrische Leitungsanordnungen (78, 80, 86) in Verbindung mit einer elektrischen Spannungsquelle (84) stehen oder bringbar sind.

14. Hydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld sich im Bereich zwischen dem Schaufelradaußenelement (16') und dem Schaufelrad­ innenelement (36') von wenigstens einem der Schaufelräder (18') erstreckt.

15. Hydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld sich von dem Schaufelradaußenelement (16') zum Schaufelradinnenelement (36') oder umgekehrt erstreckt.

16. Hydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schaufelradaußenelement (16') oder/und dem Schaufelradinnenelement (36') Maßnahmen zur Erzeugung des Magnetfeldes vorgesehen sind.

17. Hydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelradaußenelement (16') oder/und das Schaufelradinnenelement (36') permanent-magnetisch ist.

18. Hydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 5 und einem. der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (34') zum Erzeugen des elektrischen Stromflusses durch das Arbeitsfluid hindurch zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen wenigstens zwei Schaufeln (34') bei wenigstens einem der Schaufelräder (18') ausgebildet ist.

19. Hydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Schaufeln (34') wenigstens bereichsweise in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Arbeitsfluid stehen oder bringbar sind.

20. Hydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Schaufeln (34') durch elektrische Leitungsanordnungen in Verbindung mit einer elektrischen Spannungsquelle stehen oder bringbar sind.

21. Hydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 5 und Anspruch 10 oder einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Schaufeln (34, 34') bezüglich des Schaufelradaußenelements (16; 16') und des Schaufelradinnenelements (36; 36') elektrisch isoliert ist.

22. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Vorrichtung (10) als Schaufelräder (18, 38; 18') wenigstens ein Pumpenrad (18; 18') und wenigstens ein Turbinenrad (38) umfasst.

23. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Vorrichtung (10) als Schaufelrad (48) ferner wenigstens ein Leitrad (48) umfasst.

24. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld und der Stromfluss durch das Arbeitsfluid hindurch im Bereich des wenigstens einen Pumpenrads (18; 18') oder/und im Bereich des wenigstens einen Turbinenrads (38) erzeugt werden.

25. Hydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld und der Stromfluss durch das Arbeitsfluid hindurch im Bereich des wenigstens einen Leitrads (48) erzeugt werden.

26. Hydrodynamische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid einen spezifischen Widerstand im Bereich von 10^-7 Ωm bis 100 Ωm aufweist.

27. Hydrodynamische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dassdas Arbeitsfluid Wasser, vorzugsweise Kühlwasser eines Antriebsaggregats, oder ein Kühlmedium eines Antriebsaggregats oder eine Säure, vorzugsweise Schwefelsäure, oder eine Lauge ist.

28. Hydrodynamische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Vorrichtung (10) eine hydrodynamische Kopplungseinrichtung, vorzugsweise hydrody­ namischer Drehmomentwandler (10) oder Fluidkupplung, ist.