DE3814455C2 - Magnetgetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetgetriebe, mit mindestens zwei durch einen Luftspalt am Umfang voneinander getrennten, drehbar ge­ lagerten Drehkörpern, insbesondere Scheiben, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Um die Nachteile (u. a.: Reib- und Bauteilverschleiß, erhöhter Kühlaufwand) herkömmlicher Getriebe mit stets direkter Scheiben- und/oder Zahnradkontaktierung zu beseitigen, sind gemäß der DE-AS 10 21 461 Permanent-Magnet-Getriebe bzw. -kupplungen bekannt. Zwi­ schen angetriebener und getriebener Scheibe sieht der bekannte Fall eine gänzliche oder teilweise axiale oder radiale Scheiben- und damit gegenpolige Magnetfeldüberlappung vor. Durch relative gegenseitige An­ ordnung, Form und Umfangsverteilung der für die örtliche Kraftüber­ tragung verantwortlichen Magnetfelder sind dabei unterschiedliche Ge­ triebeübersetzungen ausschließlich in Kombination mit relativen Ver­ stellungen der Getriebewellen und -scheiben möglich. Die genannte Relativ-Verschiebung erzwingt einen verhältnismäßig hohen Bauaufwand, zumal relativ leichte Wellenverschiebungen nur durch zusätzlichen ma­ gnetischen Bauaufwand beherrschbar sind. Zusätzlich zur Übersetzungs­ änderung durch relative Axialverstellung der Getriebewellen sind soge­ nannte "stufenlose Übersetzungsänderungen" mit einem nicht unerhebli­ chen Bauaufwand für die betreffende Magnetfeldausbildung (Mehr- Teilkreis-Anordnung, z. B. spiralförmig über die gesamte Scheibenfläche) verknüpft; zusätzlicher Bauaufwand entsteht dabei ferner durch besondere Abschirmvorkehrungen.

Die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegende US-PS 2,510,675 behandelt, insbesondere auch unter Hinweis auf Anspruch 1 und 2 dort, ein Getriebe mit einem kämmenden Zahnradpaar, bei dem einem Gemisch aus Öl und magnetisierbarem Material (z. B. Eisenpartikel) eine derartige Magnetkraft an den Kontaktstellen (zwischen den Zähnen) aufgebracht werden soll, daß dabei eine er­ wünschte Zähflüssigkeit dieses Gemisches im Sinne einer "(Magnet)-Kissenpackung" am Zahneingriff bereitgestellt wird. Gemäß Anspruch 2 des bekannten Falles soll ferner das magnetisierte Ölge­ misch nicht nur zähflüssig bzw. klebrig, sondern auch geräusch- und flankenspielreduzierend (Totgang) sich ausbilden.

Im Wege der Anordnung des Getriebes soll beim entsprechenden Zahn­ eingriff der Getrieberäder immer nur derjenige Zahn des Rades der ge­ rade zwischen zwei Zähne des anderen Rades greift, ein magnetisch erregtes Polteil, und damit Feld für die angestrebte "Kissenpackung" ausbilden. Hierzu liegt im bekannten Fall eine lediglich am Umfang des einen Getrieberades angeordnete, also einseitig kommutierend gesteuer­ te Feldwicklungs-Erregung (Pole) vor.

Aus der DE-Fachzeitschrift "Der Elektromeister und Deutsches Elek­ trohandwerk; Verfasser: Edgar P. Vorndran, 1981, Seiten 1156 bis 1159, ist im Elektromaschinenbau unter dem Fachbegriff "Polumschaltung" die Umschaltung auf andere Polzahlen durch entspre­ chende Umschaltung von Einzelwicklungen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetgetriebe gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, welches bei vergleichs­ weise geringem Bauaufwand und Strombedarf eine praktisch ver­ schleißlose Drehkraftübertragung mit variablen Übersetzungsverhältnis­ sen ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Dabei liegt eine doppelseitige bzw. an- und abtriebsseitige kommu­ tatorisch gespeiste Spulenstromversorgung z. B. eines Getriebe­ scheibenpaars vor, wobei immer nur gerade diejenigen Spulen mit Spu­ lenstrom versorgt zu werden brauchen, die am gegenseitigen Schei­ benumfang an den betreffenden gegenseitigen Umfangsstellen bzw. Bogen­ sektionen am radialen Luftspalt den elektromagnetischen Getriebe­ radeingriff bereitstellen sollen. Im Sinne eines Vor- oder Nacheilens der getriebenen Scheibe relativ zur antreibenden Scheibe ist das Übersetzungsverhältnis veränderbar.

In Verbindung mit einem elektronischen Rechner (Anspruch 7) kann ein vorgewähltes Übersetzungsverhältnis über die Stromversorgung der an den Scheiben befindlichen Spulen geregelt werden. Ein dabei gege­ benenfalls entstehender "Getriebeschlupf" läßt keine mechanischen Fol­ geschäden und auch keine mechanischen Zusatzbelastungen erwarten wie sie etwa beim Durchrutschen eines Keilriemens von Riemengetrieben zu erwarten wären.

In vorteilhafter Anwendung bei einem Mehrstufengetriebe (Anspruch 9) ergibt sich eine mechanisch und elektronisch vergleichsweise unkom­ plizierte Getriebebauweise mit vergleichsweise großer Bandbreite an erreichbaren Übersetzungsverhältnissen, indem die jeweils einge­ schaltete Getriebestufe variabel ist bei gleichzeitig durch radiale Luftspalte voneinander getrennt umlaufenden Radscheiben übriger Getrie­ bestufen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 1 gehen aus den Patentansprüche 2 bis 6 sowie 8 hervor.

Gemäß Anspruch 2 können die Spulen auf jeweils gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordneten Ring- oder Kreissektoren der Scheiben an­ geordnet sein.

Gemäß Anspruch 3 können die Spulen in V-förmigen, gegeneinander ab­ geschirmten Kammern angeordnet sein.

Gemäß Anspruch 4 können beim Magnetgetriebe die Scheiben unter­ schiedliche Durchmesser aufweisen, um bei entsprechender gegenseitiger Spulenanordnung von vorn herein ein unterschiedliches Übersetzungsver­ hältnis in die Getriebebauweise einfließen zu lassen; letzteres gilt auch in Verbindung mit Anspruch 5, wonach die Anzahl der Spulen­ strommagnete auf der An- und Abtriebsseite unterschiedlich gewählt sein kann, z. B. in Verbindung mit Anspruch 6, d. h., bei gleichen Durchmessern für die Scheiben.

Die Erfindung ist vorteilhaft auch bei einer Magnetgetriebe-Kon­ figuration einsetzbar, bei der mehrere Scheiben im Eingriff sind (Anspruch 8).

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielhaft weiter erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines an- und abtriebs­ seitig unter Verwendung von Kommutatoren und eines elektronischen Rechners hinsichtlich der Spulenstromversorgung geregelten Magnetgetriebes,

Fig. 2 ein schematisch dargestelltes, hinsichtlich dreier verschiedener Radpaare und Getriebestufen unter Verwendung von Spulen für das Polwechselfeld elektrisch steuerbares Magnetgetriebe und

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Radpaares eines Magnetgetriebes, unten motorisch angetrieben, oben elektromagnetisch getrieben, unter Zuordnung einer elektrischen Schaltung im Hinblick auf ein veränderbares Übersetzungsverhältnis durch unterschiedliche Polteilung.

Fig. 1 erläutert ein automatisch betätigtes Magnetgetriebe; die motorisch angetriebene Scheibe ist mit 1, die getriebene Scheibe mit 2 bezeichnet; die motorisch angetriebene Welle ist mit W1, die getriebene Welle mit W2 bezeichnet. Es sind in Fig. 1 ferner die zur Darstellung der elektromagne­ tischen Polwechselfelder vorgesehenen Spulen, die in die betreffenden Scheiben 1, 2 integriert sind, fortlaufend bzw. abwechselnd mit SN und SS bezeichnet. Dabei sind mit den betreffenden Wellen W1, W2 mitrotierend gekoppelte Kommutator­ stäbe 11, 12 vorgesehen. Schematisch angedeutet, sind ferner die Kommutatorstäbe 11, 12 mit über dem Umfang jeweils als Funktion des Verdrehwinkels eine Stromversorgung (+) der ein­ zelnen Spulen SS bzw. SN gewährleistenden Schleifring-Kollek­ toren K1 bzw. K2 ausgerüstet; die letzteren sind hier z. B. fortlaufend pro zuständiger Spule SS bzw. SN hintereinander aufgereiht angeordnet; die ständige Null-Leiter-Abtastung (-) ist durch die Kollektoren K1′ bzw. K2′ verdeutlicht.

Es liegt der Vorteil des elektrischen Magnetgetriebes darin, daß die relativen umfänglichen Breiten der eingreifenden Magnetfelder im Sinne einer unterschiedlichen Polteilung und damit das Übersetzungsverhältnis variabel verstellt werden können. Dies geschieht durch veränderliche Stromversorgung der Magnetspulen SN bzw. SS. Jede Magnetspule SN bzw. SS wird also separat über einen zuständigen Kollektor K1 bzw. K2 gespeist. Die Stromversorgungsregelung übernimmt ein elektronischer Rechner 13 mit einer intelligenten Schaltung, die es erlaubt, daß bei einer bestimmten Übersetzungsverhältnisvorwahl, die gewünschte bzw. korrekte Stromspeisung (Signalfluß +/- aus 13) der Spulen SS bzw. SN und daraus folglich, aus entsprechend unterschiedlicher Polteilung das gewünschte bzw. korrekte Übersetzungsverhältnis der Magnetgetrieberäder 1, 2 zu erreichen ist.

Es ist gemäß Fig. 1 also ein elektronischer Rechner 13 vorgesehen, mit dem aus den empfangenen Informationen über ein vorgewähltes Getriebeübersetzungsverhältnis "Vorwahlstufe /Eingang" die benötigte Stromversorgung der an- und abtriebsseitig an den, Scheiben 1, 2 befindlichen Spulen SN, SS geregelt wird.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen unveränderte Bauweise und Funktionen erläutert Fig. 2 ein in Kombination mit den Grundmerkmalen, insbesondere Rechner 13 nach Fig. 1 realisierbares mehrstufiges (St1, St2, St3) automatisches Magnetgetriebe. Während z. B. die Getriebestufen St1 und St3 elektrisch abgeschaltet sind, also die betreffenden Scheibenpaare funktionslos leer durchlaufen, erfolgt die elektrisch eingeschaltete elektromagnetische Kraftübertragung (Feldlinieneingriff F) über Stufe 2 (St2) zwischen motorisch angetriebener Scheibe 1 auf die getriebene Scheibe 2. In Fig. 2 sind die radialen Luftspalte R1, R2, R3 zwischen den Scheibenpaaren der einzelnen Stufen schematisch und, größer als notwendig, dargestellt.

Durch mechanisches oder computer-gesteuertes Einschalten des pro Stufe St1, St2 oder St3 zuständigen Stromzufuhr kann also einfachst die gerade benötigte Getriebestufe, z. B. hier also St2 betätigt werden, wobei wiederum pro eingeschalteter Stufe, z. B. St2, das Übersetzungsverhältnis im Sinne des eingangs schon dargelegten "Voreilens" oder "Nacheilens" regelbar wäre.

Fig. 2 veranschaulicht eine Schaltung in Verbindung mit einer kommutatorisch steuerbaren Spulenstromversorgung bei einer Getrieberadpaarung im Wege einer motorisch angetriebenen Scheibe 1 und einer von letzterer getriebenen Scheibe 2.

Gemäß der aufgezeigten elektrischen Schaltung ist die Strom­ zufuhr (+/-) durch einen Hauptschalter S3 betätigbar. Gemäß Doppelpfeil P ist ferner ein z. B. mechanisch betätigbarer Schiebeschalter aus den mit ausgezogenen Linien dargestellten Positionen (Schaltpositionen S2, S2′) in die gestrichelt dargestellten Schaltpositionen S1, S1′ verschiebbar. Die ge­ triebene Scheibe 2 weist einen Nulleiter (-)-Schleifring 14 (Anschluß an Leitung 15), einen Spulenkollektorring 16 sowie einen als "Bürste" fungierenden Kohleschleifringsektor 17 auf, der in geschlossener Stellung des Hauptschalters S3 über Lei­ tung 18 mit Strom (+) versorgt ist. Die Spulen SN bzw. SS der Scheibe 2 sind einerseits jeweils an in Umfangsrichtung untereinander elektrisch isolierte Abschnitte des Spulenkollek­ torringes 16 angeschlossen; andererseits sind sie an den Schleifring 14 angeschlossen. Die genannten Anschlüsse der Spulenmagnete SN bzw. SS sind im Sinne einer stets wechseln­ den Polarität durchgeführt, die durch den wechselnden Spulen­ wicklungsdrehsinn vorgegeben ist.

In ähnlichem Sinne ist Scheibe 1 aufgebaut, enthaltend - von außen nach innen gesehen - einen Nulleiterschleifring der gemäß äußeren dicken Pfeil nur in Position S1′ des Schiebeschalters über Leitung 19 ans Netz angeschlossen ist. Nur in Position S2′ des Schiebeschalters ist ferner gemäß radial innen liegen­ dem weiteren dicken Pfeil ein weiterer Nulleiterschleifring über Leitung 21 ans Netz angeschlossen. Ferner befindet sich zwischen äußeren und innerem dicken Pfeil ein stets mitro­ tierender Spulenkollektorring 22 in vergleichbarem Aufbau und Anschluß an Spulen gemäß Scheibe 2. Ferner ist ein zweiter radial innen liegender Spulenkollektorring 23 vorgesehen, der mit einem radial innerhalb desselben befindlichen, als "Bürste" fungierenden Kohleschleifringsektor 24 in Verbin­ dung steht und an die Leitung 25 in Position S2 des Schiebe­ schalters angeschlossen ist. Leitung 26 läuft am linken von Schaltposition S1 abgekehrten Ende (dicker Punkt) in eine radial äußere Schleifringsektion aus, die mit einem betreffen­ den Gegenabschnitt des schon erwähnten Spulenkollektorringes 22 korrespondiert.

In Kombination mit dem zu Scheibe 1 beschriebenen doppelten Null-Leiter-Schleifring- sowie doppelten Spulenkollektorring­ konzept nebst zugehörigen Schleifringsektorabtastungen wird also bei eingeschalteter Stromversorgung (Hauptschalter S3) und in Schaltschieberpositionen S1, S1′ (gestrichelte Position) erreicht, daß für den Leitungsübertragungseingriff zwischen Scheibe 1 und 2 am äußeren Scheibenumfang örtlich gleiche Polteilungen BN, BS (hier nur zu Scheibe 2 vermerkt) vorliegen. Es herrscht also Gleichlauf zwischen beiden Scheiben 1, 2 bzw. Spulenrädern (Übersetzungsverhältnis I=1).

Bei eingeschalteter Hauptstromversorgung über S3 in Kombination mit Schiebeschalterstellung S2, S2′ ergibt dies eine geänderte Spulenstromverteilung durch Kollektor­ umschaltung in der Weise, daß immer zwei benachbarte Spulen der Scheibe 1, z. B. gemäß SSS . . . am äußeren Umfang gegenüber Scheibe 2 eine für den örtlichen Drehkrafteingriff verantwortliche einpolige Verdoppelung der Bogenlängen gemäß Polteilung BS′ ausbilden. Scheibe 1 enthält nun sechs wechselnde Polaritäten, denen zwölf wechselnde Polaritäten an Scheibe 1 gegen­ überstehen; hierdurch entsteht ein Nacheilen von Scheibe 2 zu Scheibe 1; es ergibt sich dabei ein Übersetzungsverhältnis von 2 : 1; d. h., I=2.

Variable Anwendungen des Magnetgetriebes sind möglich.

Es könnte z. B. im Fahrzeugbau der Antrieb der Hilfs­ aggregate (Lichtmaschine, Kühlwasserpumpe, Kühlventilator, usw.) ohne Reibungsverluste mit verhältnismäßig geringem Auf­ wand erfolgen.

Weiterhin könnte das Magnetgetriebe für Haushaltsgeräte (Rührwerke, Mixer, usw.) vorteilhaft eingesetzt werden.

Besonders vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten des Magnetgetriebes werden auf dem Gebiete der Raumfahrt (Vakuumbetrieb!) oder im Rahmen von Unterwasseraufgaben gesehen.

Antrieb und Abtrieb können in ver­ schiedenen Medien durch eine Abschirmung hindurch (z. B. Glasscheibe, Bleiplatte, usw.) Leistung übertragen, was z. B. für Primär- und Sekundärkreise in Atomkraftwerken von großer Bedeutung sein könnte.

Claims (9)

1. Magnetgetriebe, mit mindestens zwei durch einen Luftspalt am Umfang voneinander getrennten, drehbar gelagerten Drehkörpern, insbe­ sondere Scheiben (1, 2), bei denen durch Spulen, die über Kom­ mutatoren gespeist werden, im Eingriffsbereich am Luftspalt ein Pol­ wechselfeld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromver­ sorgung der Spulen (SN, SS) derart steuerbar ist, daß durch eine un­ terschiedliche Polteilung (BS, BS′) das Übersetzungsverhältnis ver­ änderlich ist.

2. Magnetgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (SS, NN) auf jeweils gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordneten Ring- oder Kreissektoren der Scheiben (1, 2) angeordnet sind.

3. Magnetgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen in V-förmigen, gegeneinander abgeschirmten Kammern ange­ ordnet sind.

4. Magnetgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (1, 2) unterschiedliche Durchmesser aufweisen.

5. Magnetgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ zahl der Spulenstrommagnete (SN, SS) auf der An- und Abtriebsseite unterschiedlich ist.

6. Magnetgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß gleiche Durchmesser für die Scheiben (1, 2) vorgesehen sind.

7. Magnetgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Rechner (13) verwendet wird, mit dem aus den emp­ fangenen Informationen über ein vorgewähltes Getriebeübersetzungs­ verhältnis die benötigte Stromversorgung der an den Scheiben (1, 2) befindlichen Spulen (SN, SS) geregelt wird.

8. Magnetgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Scheiben im Eingriff sind.

9. Magnetgetriebe nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet durch die Ver­ wendung bei der jeweils spulenstromversorgten Getriebestufe (St2) eines mehrstufigen Magnetgetriebes, wobei an- und abtriebsseitige Scheibenpaare übriger Getriebestufen (St1, St3) durch die Luftspalte (R1, R2) voneinander getrennt sind.