DE3719973A1 - Einrichtung zur bewegungsumwandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung eines Körpers in eine translatorische oder drehende Bewegung eines anderen Körpers oder umgekehrt, wobei an beiden Körpern Dauermagnete angeordnet sind.

Aus der DE-OS 24 35 316 ist eine Einrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine translatorische Bewegung bekannt. Ein drehbarer Körper weist einen Dauermagneten auf, dessen Pole einander diametral gegenüberliegend dem Umfang des dreh­ baren Körpers zugeordnet sind. In radialer Ausrichtung zum drehbaren Körper ist eine Schiebeführung für einen hin- und hergehenden Dauermagneten vorgesehen. Bei Drehung des dreh­ baren Körpers um 180° wird der verschiebbare Magnet in der Führung zum gegenüberliegenden Führungsende hin bis zu ei­ nem mechanischen Anschlag bewegt. Die nächste Halbdrehung des drehbaren Körpers zieht den veschiebbaren Magneten wieder in seine Ausgangsstellung. Der verschiebbare Mag­ net schwingt somit dauernd zwischen seinen zwei Endstel­ lungen hin und her.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, mit der die Drehbewegung eines Körpers in ei­ ne translatorische oder drehende Bewegung eines anderen Körpers so umgewandelt werden kann, daß ein bestimmter Drehwinkel des drehbaren Körpers eine ausschließlich durch Magnetwirkung bestimmte reproduzierbare Bewegung des an­ deren Körpers zur Folge hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Körper so geführt oder gelagert sind, daß ihr gegenseitiger Abstand in Richtung des jeweils zwischen ih­ nen wirksamen Magnetfeldes konstant bleibt.

Während also nach dem Stand der Technik ein und derselbe Magnetpol des verschiebbaren Körpers abwechselnd mit den Polen des drehbaren Körpers in Magneteingriff tritt, sind gemäß vorliegender Erfindung dem anderen Körper mehrere Magnetpole zugeordnet, wobei die Magnetpole des anderen Körpers nacheinander mit denen des drehbaren ersten Körpers in Magneteingriff treten. Dadurch wird ein Getriebe geschaf­ fen, bei dem die Bewegungen der beiden Körper in genauer Beziehung zueinander stehen. Jeder Drehstellung des drehba­ ren Körpers ist eine bestimmte Drehstellung des anderen dreh­ baren Körpers oder eine bestimmte Verschiebestellung des translatorisch bewegbaren Körpers zugeordnet. Im Fall von zwei drehbaren Körpern bewegen sich diese wie wenn sie durch ein formschlüssiges Zahn-, Kegel-, oder Schnec­ kenradgetriebe miteinander verbunden wären. Im Fall eines drehbaren Körpers und eines verschiebbaren Körpers wirkt die neue Einrichtung wie ein Zahn­ stangenantrieb, wobei die Antriebsseite sowohl beim verschiebbaren Körper liegen kann, um eine resultierende Drehbewegung des drehbaren Körpers zu erzielen, wie auch umgekehrt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht im Wegfall jeglicher mechanischer Getriebeelemente und der fehlenden Notwendigkeit, die Antriebsseite mit der Abtriebsseite mechanisch zu verbinden.

Die neue Einrichtung ist gleich gut einsetzbar, um herköm­ liche Getriebe zur Übertragung von Drehmomenten zu ersetzen wie auch als Meßwertgeber oder Positioniereinrichtung, wenn z.B. eine lineare Meßstrecke durch Drehwinkel ange­ zeigt oder abgetastet werden soll. Einsatzgebiete sind wei­ terhin Spielzeugantriebe, Antriebe zur Erzielung von Über­ raschungseffekten im Unterhaltungsgewerbe, wenn z.B. Gegen­ stände unsichtbar bewegt werden sollen. Außerdem gibt es industrielle Einsatzgebiete, nämlich dort, wo der zu bewe­ gende Körper nicht direkt zugänglich ist, weil er durch eine Trennwand abgeschirmt ist. So läßt sich beispielsweise ein schwimmender Rührflügel in einem Glasgefäß von außen durch einen angetriebenen Drehkörper in Drehung versetzen und es können Bewegungen in einem hermetisch geschlossenen Behäl­ ter aus unmagnetischem bzw. nicht magnetisierbarem Material von außen her erzeugt werden.

Dank des erfindungsgemäßen Getriebeprinzips wird eine Beschädigung bei Überschreiten eines zulässigen Drehmoments am Abtriebs-Drehkörper oder bei Verklemmen eines Abtriebs- Schiebekörpers sicher vermieden, da die beiden magnetisch gekoppelten Körper eine Rutschkupplung darstellen.

Anhand der Zeichnung, die einige Ausführungsbeispiele dar­ stellt, sei die Erfindung näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht von zwei miteinander zusammenwirkenden Drehkörpern, die beide im Abstand voneinander gehalten sind, wobei die Drehung des einen Drehkörpers eine gegensinnige, jedoch synchrone Drehung des an­ deren Drehkörpers zur Folge hat,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht von zwei im Ab­ stand angeordneten drehbaren Körpern mit einer an­ deren Anordnung der Magnete,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung von zwei dreh­ baren Körpern mit anderer Polanordnung der Mag­ nete,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines schwimmen­ den Drehkörpers mit Mischflügeln, der von der Außenseite eines Behältnisses drehbar ist,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Anordnung mit zwei ineinander liegenden Drehkörpern,

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Getriebes zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbe­ wegung und umgekehrt,

Fig. 7 eine Draufsicht auf zwei Drehkörper mit anderer Polanordnung der Magnete,

Fig. 8 eine schematische Ansicht zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung unter Ver­ wendung von zwei Drehkörpern und einem dazwi­ schen liegenden unmagnetischem Stab.

Fig. 9 eine schematische Ansicht eines Drehkörpers mit U-Magneten, die mit Weicheisenstücken des anderen Drehkörpers zusammenwirken und

Fig. 10 eine schematische Ansicht eines Magnetkraft- Schneckengetriebes.

Gemäß Fig. 1 sind zwei gleichgroße und identisch ausgebildete Drehkörper 10, 12 im Abstand voneinander mit parallelen Drehachsen 14, 16 angeordnet. Jeder Drehkörper 10; 12 hat in gleichen Umfangsabständen radial eingesetzte und über die ganze Drehkörperhöhe reichende Magnete 18 . Die Magnet­ pole liegen an der äußeren Umfangsfläche des Drehkörpers 10 bzw. 12 und benachbarte Magnete 18 sind gegensinnig ge­ polt, so daß am äußeren Umfang jedes Drehkörpers sich abwech­ selnd Nord- und Südpole befinden. In der Ausgangsstellung liegt ein äußerer Nordpol des Drehkkörpers 10 einem Süd­ pol des Drehkörpers 12 gegenüber. Wird einer der Drehkörper 10, 12 gedreht, so nimmt der angetriebene Drehkörper den ge­ triebenen Drehkkörper durch Magnetwirkung an den benachbar­ ten Umfangsstellen mit, bis das nächste Magnetpolpaar zu­ sammenwirkt. Der getriebene Drehkörper führt eine zum an­ getriebenen Drehkörper synchrone Bewegung aus. Falls nur wenige Magnete, z.B. drei Magnete am Umfang der beiden Dreh­ körper 10, 12 angeordnet sind, so wird die Bewegung des Ab­ triebs-Drehkörpers ungleichmäßig. Dieser Drehkörper neigt dann zum "Springen" zwischen den drei Hauptstellungen, in denen sich die Magnetpole beider Drehkörper paarweise gegenüber liegen. Eine solche ungleichmäßige Abtriebs­ bewegung kann für viele Anwendungsfälle gewünscht sein.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine größere Zahl von Magneten rings um den Umfang jedes Drehkörpers herum angeordnet, so daß eine nahezu gleichförmige Abtriebs­ bewegung erzielt wird.

Da die beiden Drehkörper 10, 12 im Abstand voneinander lie­ gen und jegliche mechanische Verbindung zwischen den Dreh­ körpern entfällt, kann zwischen den Drehkörpern eine unmag­ netische Trennwand angeordnet werden.

Fig. 2 zeigt zwei Drehkörper 20, 22, die in gleicher Weise gelagert sind wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1. Der Un­ terschied besteht lediglich darin, daß anstelle der stab­ förmigen Magnete 18 hufeisenförmige Magnete 28 verwendet werden, deren Magnetpole in der Umfangskontur der Drehkör­ per 20, 22 liegen. In dieser Ausführungsform sind lediglich zwei Magnete 28 jedes Drehkörpers 20; 22 gezeigt, es versteht sich jedoch, daß auch hier die Magnete 28 in gleichen Umfangs­ abständen angeordnet sind.

Fig. 3 veranschaulicht eine Anordnung mit zwei Drehkörpern 10, 12 wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1, jedoch sind die Magnete 18 nicht abwechselnd gepolt, vielmehr liegen die Nordpole der Magnete 18 des Drehkörpers 10 außen, während beim Drehkörper 12 die Südpole außen liegen.

Fig. 4 veranschaulicht einen Drehkörper 30, der von einem Elektromotor 31 gedreht wird. Benachbart des Drehkörpers 30 ist ein Glasgefäß 33 angeordnet, das eine Flüssigkeit enthält, in welcher der andere Drehkörper 32 schwimmt. Beide Drehkörper 30, 32 haben am Umfang angeordnete Magnete 18. Der schwimmende Drehkörper 32 hat hier einen größeren Durchmesser als der Antriebsdrehkörper 30 und die Magnete 18 an beiden Drehkörpern 30, 32 müssen nun so angeordnet sein, daß der Umfangsabstand zwischen zwei Mag­ neten des einen Drehkörpers und des anderen Drehkörpers derselbe ist.

Dies führt notwendigerweise dazu, daß der Drehkörper 32 größeren Durchmessers eine größere Zahl von Magneten auf­ weist als der Drehkörper 30 kleineren Durchmessers.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 wird der schwimmende Dreh­ körper 32 in der Gefäßmitte gehalten, in dem eine Führungswelle im Gefäßdeckel gelagert ist. Diese Führung könnte aber ent­ fallen. Der schwimmende Drehkörper 32 würde sich dann an der Innenwand des Gefäßes 33 anlegen und somit exzentrisch zur Gefäßachse rotieren. Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 besteht der Drehkörper beispielsweise aus einer Anzahl Flügeln, die die Flüssigkeit im Gefäß 33 mischen oder rühren.

Fig. 5 zeigt einen Drehkörper 40 von geringem Durchmesser, der in einem hohl ausgebildeten Drehkörper 42 achsparallel angeordnet ist. Beide Drehkörper 40, 42 haben die am Umfang in gleichen Abständen verteilten Magneten und es versteht sich, daß die Zahl der Magnete des größeren Drehkörpers 42 entsprechend größer ist als die im Ausführungsbeispiel dargestellten vier Magnete des Drehkkörpers 40. Im Unter­ schied zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen, drehen sich die beiden Drehkörper 40, 42 gleichsinnig. Wird der kleinere Drehkörper 40 angetrieben, so dreht sich der Dreh­ körper 42 mit einer geringeren Drehzahl. Das Untersetzungs­ verhältnis wird durch das Durchmesserverhältnis bestimmt. Treibt man dagegen den äußeren Drehkörper 42 an, so fin­ det eine Übersetzung ins Schnelle statt.

Fig. 6 zeigt eine Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung oder umgekehrt. Ein Drehkörper 50 ist mit einer Anzahl Magneten 18 bestückt, deren Pole am Drehkörper­ umfang liegen und abwechselnd gegensinnig gepolt sind. Tangential zum Umfang des Drehkörpers 50 ist ein Stab 52 angeordnet, in dessen Längsrichtung ebenfalls Magnete 18 angeordnet sind, deren Längsabstand dem Umfangsabstand der Magnete 18 des Drehkörpers 50 entspricht. Auch hier sind die Magnete 18 des Stabes 52 abwechselnd gegensinnig gepolt.

Im Ausgangszustand liegt ein Nordpol eines Magneten 18 des Drehkörpers 50 einem Südpol eines Magneten 18 des Stabes 52 gegenüber. Wird nun der Drehkörper 50 gedreht, so wird der Stab 52 entsprechend der Drehrichtung linear bewegt. Die Umfangsgeschwindigkeit des Drehkörpers 50 ent­ spricht der Lineargeschwindigkeit der Stange 52. Umgekehrt kann auch die Stange 52 durch ein Fremdmittel verschoben werden, wobei die Verschiebung dann eine synchrone Drehung des Drehkörpers 50 zur Folge hat. Die Bewegungen beider Elemente 50, 52 sind reproduzierbar.

Fig. 7 veranschaulicht eine Anordnung ähnlich Fig. 3. Die beiden Drehkörper 20, 22 sind umfangsmäßig mit Magneten 18 bestückt, jedoch sind alle Magnete 18 beider Drehkörper 20, 22 gleich gepolt, d.h. im Ausführungsbeispiel liegen die Nordpole aller Magneten 18 außen. Aufgrund der Ab­ stoßwirkung stellt sich der eine Drehkörper 20 immer so ein, daß der dem anderen Drehkörper nächstliegende Magnet in der Mitte zwischen zwei Magneten dieses Drehkörpers 22 liegt.

Fig. 8 veranschaulicht ein Getriebe, das ähnlich wie Fig.6 arbeitet, bei dem also eine Drehbewegung in eine translatori­ sche Bewegung umgesetzt wird oder umgekehrt, jedoch werden hier zwei Drehkörper 20, 22 verwendet mit je vier umfangs­ mäßig verteilten Magneten 18. Zwischen beiden Drehkörpern 20, 22 liegt eine unmagnetische bzw. nicht magnetisier­ bare Platte 62, z.B. eine Kunststoffplatte. Die beiden Drehkörper 20, 22 werden aufgrund ihrer Magnete 18 in Kontakt mit den gegenüberliegenden Oberflächen der Platte 62 gezogen. Wird nun ein Drehkörper 20 gedreht, so wird die mit beiden Drehkörpern 20, 22 in Reibeingriff stehende Platte 62 translatorisch bewegt. Die Magnetfelder sorgen dafür, daß die Platte 62 zwischen den beiden Drehkörpern eingespannt wird, sodaß jegliche Andrückmittel entfallen. Auch hier kann umgekehrt die Platte 62 linear verschoben werden, um die beiden Drehkörper 20, 22 zu drehen.

Fig. 9 veranschaulicht in Draufsicht zwei Drehkörper ähnlich Fig. 2. Der Drehkörper 22 stimmt hinsichtlich der Hufeisen- oder U-Magnete 28 mit der dortigen Ausführung überein. Der Drehkörper 60 hat jedoch axiale Weicheisenbänder 62, deren axiale Länge dem axialen Außenmaß der U-Magnete 28 entspricht, so daß die Weicheisenbänder 62 eine Magnetflußbrücke für das Magnetfeld jedes U-Magneten 28 bilden.

Fig. 10 veranschaulicht zwei Drehkörper 70, 72 deren Achsen in verschiedenen Ebenen rechtwinklig zueinander stehen, derart, daß die mittlere Radialebene eines Drehkörpers 70 bzw. 72 die Achse des jeweils anderen Drehkörpers 72 bzw. 70 enthält. Beide Drehkörper 70, 72 bilden ein "Schneckenge­ triebe", bei dem der Drehkörper 70 die "Schnecke" und der Drehkörper 72 das "Schneckenrad" darstellen. Der Drehkörper 70 weist zwei benachbart liegende abwechselnd entgegenge­ setzt gepolte Magnetwendeln z.B. in Form von umfangsmäßig im Abstand auf wendelförmigen Bahnen liegenden Einzelmag­ neten auf. Die Erzeugende des Drehkörpers 70 ist ein Kreis­ bogen, dessen Mittelpunkt - in der Zeichenebene - in die Achse des Drehkörpers 72 fällt. Der Gangabstand der Wendeln des Drehkörpers 70 verringert sich von der axialen Mitte zu den Enden hin allmählich, was aus der schematischen Zeichnung nicht deutlich hervorgeht. Dagegen ist der Umfangsabstand der ebenfalls abwechselnd gepolten Magnete 18 des Drehkör­ pers 72 konstant. Damit erreicht man, daß ständig eine größe­ re Anzahl von N/S-Pol-Paaren beider Drehkörper 70, 72 einan­ der radial ausgerichtet benachbart liegen, so daß der ange­ triebene Drehkörper 70 eine Drehung des Drehkörpers 72 mit geringer Drehzahl jedoch großem Drehmoment zur Folge hat.

Zusammenfassend kann folgendes festgestellt werden.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Magnete des einen bewegten Körpers mit den Magneten oder Weicheisenstücke des anderen Körpers nacheinander in Mag­ neteingriff treten, wobei sich der Magnetkraftfluß beim An­ nähern der Pole beider Körper bis zu einem Maximum verstärkt, wonach er wieder abnimmt, bis das nächste Polpaar zur Wirkung kommt. Die höchste Kraftübertragung wird erreicht, wenn beide Körper mit Magneten und zwar vorzugsweise ab­ wechselnd Nord/Süd-gepolten Magneten bestückt sind. Für gewisse Anwendungsfälle können aber die oder einzelne Magnete des einen oder beider Körper durch Weicheisen­ stücke ersetzt werden. Insbesondere gilt dies, wenn U-Mag­ nete in einem Körper mit Weicheisenstücken im anderen Kör­ per derart zusammenwirken, daß der Magnetfluß zwischen den Polen des U-Magneten durch die Weicheisenstücke im ande­ ren Körper verläuft.

Die Magnetpole können auf kreiszylindrischen Flächen aber auch auf konischen Flächen angeordnet sein. Im letzten Fall liegen die Drehachsen beider Körper spitzwinklig zueinander in derselben Ebene. Die Körper wirken wie ein Kegelradgetrie­ be. Der Umfangswinkel zwischen je zwei Magnetpolen beider Körper ist erfindungsgemäß konstant. Die Körper können je­ doch im Rahmen der Erfindung auch um zwei rechtwinklig in verschiedenen Ebenen zueinander liegende Achsen nach Art eines Schneckengetriebes angeordnet sein. In diesem Fall ist die "Schnecke" mit auf zwei wendelförmigen Bahnen ange­ ordneten Magneten bestückt, derart, daß die eine Magnetwen­ del nordgepolt und die benachbarte Magnetwendel südgepolt ist. Das "Schneckenrad" hat am Außenumfang in gleichem Umfangsab­ stand abwechselnde Nord- und Südpole. Die "Schnecke" kann erfindungsgemäß anders als beim herkömmlichen mechanischen Getriebe eine konkave Mantellinie aufweisen, dessen Krümmungsmittelpunkt mit der Achse des "Schneckenrades" zusammenfällt. Dadurch steht die "Schnecke" über etwa ihre ganze axiale Länge mit dem "Schneckenrad" in Mag­ neteingriff. Der längs der Mantellinie der "Schnecke" ge­ messene Gangabstand der Wendeln entspricht erfindungsgemäß dem Umfangsabstand der Magnetpole des "Schneckenrades".

Bei der erfindungsgemäßen Variante, bei der nach Art ei­ nes Zahnstangenantriebes ein kreiszylindrischer Körper mit einem längsverschiebbaren Stab zusammenwirkt, ist der Um­ fangsabstand der Magnetpole des Drehkörpers gleich dem Längsabstand der Pole des Schiebekörpers.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung eines Körpers in eine translatorische oder drehende Bewe­ gung eines anderen Körpers oder umgekehrt, wobei an einem Körper mindestens ein Dauermagnet und am anderen Körper mindestens ein Dauermagnet oder Weicheisenstück angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Körper (10, 12; 20, 22; 30, 32; 40, 42; 50, 52; 22, 60; 70, 72) so geführt oder gelagert sind, daß ihr gegenseitiger Ab­ stand in Richtung des jeweils zwischen ihnen wirksamen Magnetfeldes konstant bleibt, und daß die vom einen Kör­ per pro Zeiteinheit erzwungene Bewegung des anderen Kör­ pers direkt proportional zur Bewegung des einen Körpers ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbarer Körper (40) im Inneren des als Hohlkörper ausgebildeten anderen drehbaren Körpers (42) angeord­ net ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Umfangsrichtung benachbarte Pole der Magneten (18) eines drehbaren Körpers (10) in der Nord-Süd-Polung einander abwechseln.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Umfangsrichtung benachbarte Pole eines drehbaren Körpers (10, 12; 20, 22) dieselbe Po­ lung aufweisen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei als Walzen ausgebil­ deten drehbaren Körpern (20, 22) ein aus nicht magneti­ schem Material bestehendes längsverschiebbar gelagertes stabförmiges Element (62) angeordnet ist und mit beiden drehbaren Körpern (20, 22) in Reibeingriff steht.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein längsverschiebbares stabförmiges Element (52) in vorgegebenem Längsabstand gleich dem Umfangsabstand der Magnete (18) des drehbaren Körpers (50) eine Anzahl Magnete (18) aufweist und daß das stabförmige Element (52) etwa tangential zum drehba­ ren Körper (50) verschiebbar geführt ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang eines drehbaren Körpers (10) von der benachbarten Oberfläche des anderen dreh­ baren Körpers (12) oder eines verschiebbaren Körper im Abstand liegt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen beiden Körpern (30, 32) eine Trenn­ wand aus unmagnetischem oder nicht magnetisierbarem Material befindet.