-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetgetriebevorrichtung, insbesondere einen Magnetgetriebemotor oder einen Magnetgetriebegenerator.
-
Für viele technische Aufgaben werden Antriebe mit hohem Drehmoment und vergleichsweise geringen Drehzahlen benötigt. Motoren mit solchen Eigenschaften (sogenannte Direktantriebe) lassen sich nur mit großem Aufwand herstellen, da hierfür große Durchmesser und viele Wicklungen bzw. eine hohe Anzahl magnetischer Pole erforderlich sind. Deshalb werden in der technischen Anwendung meist Getriebemotoren eingesetzt, die in der Regel mehr Bauraum benötigen und aufgrund der Trägheitsmomente der rotierenden Wellen weniger dynamisch sind.
-
Es sind verschiedenste Bauarten von Getrieben bekannt, die der Wandlung von Drehzahl und Drehmoment dienen. In einem mechanischen Getriebe finden sich häufig Zahnräder verschiedener Größen, welche die Drehzahl und das Drehmoment der Wellen formschlüssig wandeln und übertragen.
-
Magnetgetriebe kommen hingegen ohne Zahnräder aus und arbeiten berührungslos und damit fast verschleißfrei. Sie umfassen im Wesentlichen zwei Rotoren, auf denen meist Permanentmagneten angeordnet sind, sowie einen Modulator. Der Modulator befindet sich koaxial zwischen den beiden Rotoren und bildet eine definierte Anzahl an Eisenkernen aus ferromagnetischem, i. d. R. geschichtetem Material. Diese müssen mit nicht-magnetischem Material voneinander getrennt werden. Die beiden Rotoren haben keinen mechanischen Kontakt, sodass Magnetgetriebe nur geringe Reibungsverluste und geringen Verschleiß aufweisen. Zudem ist die Geräuschentwicklung minimal. Da sich die kraftübertragenden Elemente - anders als beim Zahnradgetriebe - nicht berühren, brauchen sie nicht geschmiert zu werden und es kann auf Wellendichtungen verzichtet werden. Beim Antrieb hermetisch geschlossener Systeme bieten sich daher Magnetgetriebe an.
-
Der Aufbau von Magnetgetrieben, insbesondere des zwischen den beiden Rotoren angeordneten Modulators ist kompliziert. Die Eisenkerne des Modulators werden meist aus geschichtetem ferromagnetischem Material gebildet, um die Eisenverluste in Grenzen zu halten, wobei die Eisenkerne durch nichtmagnetisches Material voneinander getrennt werden müssen. Zudem muss der Modulator relativ zu den beiden Rotoren gelagert und als Gehäuse oder Abtriebswelle ausgebildet werden.
-
Dabei sind bereits Kombinationen aus elektrischen Motoren und Magnetgetrieben bekannt. So beschreibt z. B. das Patent
US 8,358,044 eine elektrische Maschine mit einem integrierten magnetischen Getriebe. Hier wird ein Rotor des Magnetgetriebes durch einen Stator mit Wicklungen ersetzt, wobei allerdings zur Lenkung des magnetischen Flusses Eisenstücke benötigt werden, die zwischen dem Stator und dem Rotor als Modulator anzuordnen sind.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Motor bereitzustellen, der ohne den Einsatz eines mechanischen Getriebes eine verhältnismäßig niedrige Drehzahl bei hohem Drehmoment liefert und sich durch einen kompakten und einfachen Aufbau auszeichnet.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Magnetgetriebevorrichtung gelöst, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
-
Demnach ist nach der Erfindung also vorgesehen, dass die Magnetgetriebevorrichtung, insbesondere in Form eines Magnetgetriebemotors oder eines Magnetgetriebegenerators, einen Stator mit mehreren Nuten, in die eine mehrpolige Wicklung aufgenommen ist, und einen Rotor mit mindestens einem Magnetpolpaar, der in einer magnetischen Wirkverbindung mit dem Stator steht, umfasst, wobei der Stator mehrere Polschuhe aufweist, die jeweils in einem zum Rotor gerichteten Bereich des Stators angeordnet und durch zwei benachbarte Nuten begrenzt sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Anzahl der Polschuhe so gewählt ist, dass sie der Summe oder der Differenz der Anzahl der Polpaare der mehrpoligen Wicklung und des Rotors entspricht.
-
Ausgehend von dem aus dem Stand der Technik bekannten Magnetgetriebe schlägt die Erfindung also vor, dass einer der beiden magnetischen Rotoren (bspw. der Antrieb) durch einen Stator mit Wicklungen ersetzt wird, der ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt. Zum anderen wird der kompliziert aufgebaute Modulator des Magnetgetriebes eliminiert, indem der Stator eine definierte Anzahl an Polschuhen bildet, welche die Aufgabe des Modulators übernehmen.
-
Besonders vorteilhaft ist, dass Statoren dieser Art z. B. aus Asynchronmotoren bekannt sind und sich günstig herstellen lassen. Statoren werden bevorzugt aus geschichteten Blechen hergestellt, die für die Aufnahme der elektrischen Wicklungen Nuten aufweisen. Die Bereiche zwischen den Nuten können als Polschuhe ausgebildet sein, so dass auf diese Weise gleich viele Polschuhe wie Nuten entstehen.
-
Wählt man nun erfindungsgemäß die Anzahl der Nuten und damit der entstehenden Polschuhe so aus, dass sie genau der Summe bzw. der Differenz der Polpaare der elektrischen Wicklung und des (vorzugsweise permanentmagnetischen) Rotors entspricht, so können diese Polschuhe die Funktion des Modulators übernehmen, indem sie den magnetischen Fluss lenken.
-
Die hier vorgeschlagene Magnetgetriebevorrichtung kann demnach als kostengünstige Kombination eines Magnetgetriebes und eines Antriebsmotors in einer kompakten Einheit angesehen werden. Der Antriebsmotor und der treibende Rotor eines Magnetgetriebes wird durch einen Stator mit Wicklungen ersetzt, der ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt und zudem Polschuhe ausbildet, die den magnetischen Fluss zwischen dem umlaufenden elektromagnetischen Feld und den Permanentmagneten des Rotors so lenken, dass eine Übersetzung realisiert wird. Auf diese Weise wird der kompliziert aufgebaute Modulator eliminiert.
-
Nach einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen Stator und Rotor nur ein Luftspalt angeordnet ist, wobei der von den Polschuhen definierte zum Rotor gewandte Bereich des Stators vorzugsweise nur durch einen Luftspalt von dem Rotor getrennt ist.
-
Dadurch wird klar, dass es nun keinen Modulator oder ein vergleichbares Element gibt, das zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet ist. Lediglich ein kleiner als Luftspalt bezeichneter Abstand zwischen Stator und Rotor ist vorhanden.
-
Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Stator aus ferromagnetischem, vorzugsweise geschichtetem Material ausgeführt ist.
-
Nach einer weiteren Modifikation der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator mit einer Drehstromwicklung versehen ist, die mit einer umlaufenden Spannung versorgbar ist, um ein umlaufendes Magnetfeld zu erzeugen.
-
Zudem kann vorgesehen sein, dass der Rotor ein Drehteil ist, das vorzugsweise mit Permanentmagneten besetzt ist. Als Drehteil kommt bspw. ein hohlzylinderartiges Element in Betracht, das den Stator umschließt.
-
Nach einer optionalen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Stator bewickelte Eisenpakete umfasst.
-
Ferner können nach der Erfindung die Polschuhe dazu ausgebildet sein, einen magnetischen Fluss zwischen einem elektromagnetischen Feld und in dem Rotor angeordneten Permanentmagneten derart zu lenken, dass eine (Getriebe-)Übersetzung realisiert wird.
-
Somit wird eine Getriebeübersetzung auf sehr kompakte Art und Weise ohne das Vorhandensein eines Modulators umgesetzt, was besonders vorteilhaft in Bezug auf das Gesamtgewicht der Vorrichtung ist.
-
Es kann vorgesehen sein, dass Rotor und Stator radial zueinander angeordnet sind, vorzugsweise der Rotor also innerhalb oder außerhalb des Stators zu diesem koaxial angeordnet ist.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass Rotor und Stator axial zueinander angeordnet sind, vorzugsweise der Rotor also axial vor oder hinter dem Stator koaxial angeordnet ist.
-
Dabei können die Polschuhe und die Permanentmagnete kreissegmentförmige Konturen ausbilden.
-
Weiter kann vorgesehen sein, dass Rotor und Stator linear zueinander angeordnet sind. Hierfür werden die zylindrischen Strukturen von Stator und Rotor auf eine Ebene abgewickelt.
-
Weiter kann die Magnetgetriebevorrichtung auch als Generator arbeiten. In diesem Fall wird ein vorhandener mechanischer Antrieb mit dem Rotor gekoppelt, wodurch eine elektrische Spannung an den Statorwicklungen erzeugt wird. Mögliche Anwendungen, bei denen mit langsam laufenden Rotoren Drehstrom mit Netzfrequenz erzeugt werden soll, sind z. B. Wind- und Wasserkraftanlagen.
-
Durch die Erfindung wird der Aufbau eines Magnetgetriebemotors bzw. -generators stark vereinfacht. Der treibende Rotor und der Modulator werden durch einen speziell ausgebildeten und auf die Anzahl der Polpaare abgestimmten Stator ersetzt. Auf diese Weise entsteht eine sehr kompakte Einheit, die sich kostengünstig herstellen lässt, da der Modulator ohne zusätzlichen Aufwand als Teil des Stators entsteht.
-
Durch die integrierte Bauweise ist sowohl der erforderliche Bauraum als auch das Gewicht deutlich kleiner als bei üblichen Getriebemotoren bzw. -generatoren. Die vorgeschlagene Magnetgetriebevorrichtung zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus, da die Rotoren einfache Drehteile sein können, die vorzugsweise mit Permanentmagneten besetzt werden. Die Statoren können einfache bewickelte Eisenpakete sein, wie Sie z. B. bei Asynchronmotoren und DC-Motoren serienmäßig zum Einsatz kommen. Je nach Ausführung des Motors bzw. des Generators als Außen- oder Innenläufer wird das Statorpaket außen bzw. innen bewickelt.
-
Für den Betrieb der vorgeschlagenen Magnetgetriebevorrichtung ist keine komplexe Ansteuerung erforderlich, wie dies z. B. bei Schrittmotoren der Fall ist. Damit kommt der Magnetgetriebemotor nach der Erfindung als kompakter und günstiger Ersatz für viele Getriebemotoren in Frage.
-
Im Gegensatz zum komplizierten Aufbau eines Magnetgetriebes mit zwei Rotoren und einem relativ zu beiden gelagerten Modulator gibt es bei der hier vorgeschlagenen Magnetgetriebevorrichtung nur ein rotierendes Teil, was den mechanischen Aufbau erheblich vereinfacht.
-
Auch sind keine Schleifkontakte (Kommutatoren) erforderlich, wie z. B. bei herkömmlichen DC-/Permanentmagnetmotoren. Dadurch ist die vorgeschlagene Magnetgetriebevorrichtung nach der Erfindung langlebig und verschleißarm.
-
Die vorgeschlagene Magnetgetriebevorrichtung kann in praktisch allen Anwendungen eingesetzt werden, wo heute herkömmliche Getriebemotoren wie z.B. Stirnrad- oder Planetengetriebemotoren eingesetzt werden. Dabei kann der Magnetgetriebemotor durch die erzielbaren Übersetzungen ein- und mehrstufige Getriebe ersetzen.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
- 1: einen schematischen Querschnitt eines Magnetgetriebes, wie es dem Stand der Technik entspricht,
- 2: einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Magnetgetriebevorrichtung in einer Ausführung als Außenläufer, und
- 3: einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Magnetgetriebevorrichtung in einer Ausführung als Innenläufer.
-
1 zeigt schematisch den Querschnitt eines Magnetgetriebes, wie es dem Stand der Technik entspricht. Es besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten, die koaxial zueinander angeordnet sind: dem inneren Magnetrad 6, dem äußeren Magnetrad 7 und dem Modulator 8. Sowohl auf dem inneren als auch auf dem äußeren Rotor sind über den Umfang verteilt Magneten 5 wechselnder Polarität aufgebracht, die jeweils dem Modulator 8 zugewandt sind.
-
Verwendet man den inneren Rotor 6 als Antrieb, so kann man den äußeren Magnetring 7 als Gehäuse und den Modulator 8 als Abtriebswelle ausbilden, wobei die Anzahl der Eisenstücke im Modulator 8 entweder der Differenz oder der Summe der Magnetpaare der beiden Rotoren entsprechen muss. Letztere Variante bewirkt, dass beide Rotoren in entgegengesetzte Richtung drehen. Die Übersetzung dieses Getriebes entspricht betragsmäßig dem Verhältnis der Magnetpaare der beiden Rotoren.
-
In dem in 1 gezeigten Beispiel weist der innere Rotor 6 ein Magnetpaar, der äußere 13 Magnetpaare auf. Die Anzahl der Eisenstücke beträgt 12 (=13-1); damit ergibt sich die Übersetzung des dargestellten Getriebes zu i = 13/1 = 13 bei gleicher Drehrichtung der beiden Rotoren.
-
Alternativ kann man auch den Modulator 8 als Gehäuse festhalten und den äußeren Magnetring 7 als Abtrieb nutzen; auf diese Weise erhält man einen Außenläufer.
-
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des vorgeschlagenen Motors in der Ausführung als Außenläufer, wohingegen 3 eine schematische Schnittdarstellung des vorgeschlagenen Motors in der Ausführung als Innenläufer zeigt. Bis auf die unterschiedliche Anordnung des Stators gilt die nachfolgende Beschreibung für beide Ausführungsformen analog.
-
In den dargestellten Ausführungen wird das Statorpaket 1 für die Wicklungen 2 aus ferromagnetischem, vorzugsweise geschichtetem Material ausgeführt. Dieses Statorpaket 1 wird so ausgeführt, dass es Polschuhe 3 ausbildet. Die Anzahl der Polschuhe m wird so gewählt, dass sie entweder der Summe oder der Differenz der Anzahl der Polpaare von Wicklung p1 und Rotor p2 entspricht; auf diese Weise arbeiten die Polschuhe wie der Modulator in einem magnetischen Getriebe. Da die Polschuhe direkter Bestandteil des Stators sind, entsteht für die Ausbildung der Polschuhe und damit der Funktion des Modulators keinerlei zusätzlicher Aufwand.
- m = p2 - p1 (gleichsinnige Drehrichtung von Drehfeld und Rotor)
- m = p2 + p1 (gegensinnige Drehrichtung von Drehfeld und Rotor)
-
Der Rotor 4, der als Abtrieb dient, wird entlang seines Umfangs mit Magneten 5 wechselnder Polarität besetzt.
-
Es wird vorgeschlagen, den Stator mit einer Drehstromwicklung zu versehen, die mit einer umlaufenden Spannung versorgt wird und somit ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt. Die Polschuhe 3 lenken den magnetischen Fluss zwischen dem umlaufenden elektromagnetischen Feld und den Magneten 5 des Rotors 4 so, dass eine Übersetzung realisiert wird.
-
Durch die Variation der Polpaarzahl der Wicklung p1, der Anzahl der Polschuhe des Statorpakets m und der Anzahl der Magnetpaare des Rotors p2 lassen sich verschiedene Übersetzungen i und Drehzahlen n2 erreichen, wobei die folgende Tabelle eine Auswahl hiervon zeigt:
| Stator/Wicklung | | | Rotor | | |
| Polpaarzahl der Wicklung | Nenndrehzahl bei 50 Hz Upm | Polschuhe des Statorpakets | Magnetpaare des Rotors | Übersetzung des Getriebes | Leerlaufdrehzahl des Rotors Upm |
| p1 | n1 | m | p2 = p1 + m | i = p2 / p1 | n2 = n1 / i |
| 1 | 3000 | 6 | 7 | 7 | 429 |
| 2 | 1500 | 6 | 8 | 4 | 375 |
| 3 | 1000 | 6 | 9 | 3 | 333 |
| 4 | 750 | 6 | 10 | 2,5 | 300 |
| 1 | 3000 | 12 | 13 | 13 | 231 |
| 2 | 1500 | 12 | 14 | 7 | 214 |
| 3 | 1000 | 12 | 15 | 5 | 200 |
| 4 | 750 | 12 | 16 | 4 | 188 |
| 1 | 3000 | 18 | 19 | 19 | 158 |
| 2 | 1500 | 18 | 20 | 10 | 150 |
| 3 | 1000 | 18 | 21 | 75 | 143 |
| 4 | 750 | 18 | 22 | 5,5 | 136 |
| 2 | 1500 | 24 | 26 | 13 | 115 |
| 3 | 1000 | 24 | 27 | 9 | 111 |
| 4 | 750 | 24 | 28 | 7 | 107 |
| 1 | 3000 | 30 | 31 | 31 | 97 |
| 2 | 1500 | 30 | 32 | 16 | 94 |
| 3 | 1000 | 30 | 33 | 11 | 91 |
| 4 | 750 | 30 | 34 | 8,5 | 88 |
| 1 | 3000 | 36 | 37 | 37 | 81 |
| 2 | 1500 | 36 | 38 | 19 | 79 |
| 3 | 1000 | 36 | 39 | 13 | 77 |
| 4 | 750 | 36 | 40 | 10 | 75 |
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Statorpaket
- 2
- Wicklung
- 3
- Polschuh
- 4
- Rotor
- 5
- Magnet
- 6
- inneres Magnetrad
- 7
- äußeres Magnetrad
- 8
- Modulator
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
