DE4223826A1 - Magnetisches Parallelwellengetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Parallel­ wellengetriebe zur berührungslosen Übertragung von Drehmomenten, bestehend aus am Umfang mit Magneten versehenen Rädern, von denen wenigstens zwei dreh­ bar gelagert auf Wellen angeordnet sind.

Im Stand der Technik sind nach DE 20 05 803 magne­ tische Getriebe bekannt. Diese Getriebe besitzen drei Elemente, von denen eines zwischen den beiden anderen angeordnet ist und mindestens eines der Elemente Permanent- oder Elektromagneten enthält. An den beiden Elementen, zwischen denen das dritte angeordnet ist, sind Polringe angebracht mit den beiden anderen Elementen zugewandten Polen. Deren Anzahl bestimmt dabei das Übersetzungsverhältnis des magnetischen Getriebes. Über den Umfang ver­ teilt sind Leitstücke aus leicht unmagnetisierbaren ferromagnetischem Material angebracht, wobei die Leitstücke so ausgebildet sind, daß der Magnetfluß auf mindestens zwei Pole des Polringes verteilt wird. Diesen bekannten Anordnungen haftet der Nachteil an, daß nur relativ geringe Drehmomente übertragen werden können und daß die An- und Abtriebsachsen koaxial angeordnet sind. Die Wahl der erreichbaren Übersetzungsverhältnisse ist dabei auch nur in en­ gen Grenzen möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Parallelwellengetriebe zur berüh­ rungslosen Übertragung von Drehmomenten zu schaf­ fen, das auch die Übertragung hoher Drehmomente er­ möglicht und das mit relativ geringem fertigungs­ technischen Aufwand herstellbar ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß auf jeder Welle mindestens zwei mehr­ polige Magneträder angeordnet sind, die Magneträder einer Welle relativ gegeneinander verdreht angeord­ net sind, zwischen jedem Paar von den An- und Ab­ triebsmagneträdern jeweils zwei im Abstand zueinan­ der verlaufende Flußführungselemente aus ferroma­ gnetischem Material angebracht sind, die den Ma­ gnetfluß quer zur Welle von einem Magnetrad zum an­ deren leiten und eine Verzahnung besitzen, welche der Teilung der gleichen Pole der zugehörigen Ma­ gneträder entspricht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die höherpoligen Magneträder am Umfang mehrpo­ lig radial oder lateral und die niederpoligen Mag­ neträder diametral oder radial zu magnetisieren. Letzterenfalls erzeugt die diametrale Magnetisie­ rung der niederpoligen Magneträder ein nahezu si­ nusförmiges Wechselfeld, welches einen weitgehend gleichmäßigen Drehmomentenverlauf gewährleistet.

Auf jeder Welle sind mindestens zwei Magneträder angebracht, die gegeneinander verdreht angeordnet sind. Diese Verdrehung ist erforderlich, um eine lückenlose Drehmomentübertragung und eine defi­ nierte Drehrichtung zu gewährleisten. Eine zweckmä­ ßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anord­ nung sieht vor, die Verdrehung um den Quotienten aus Polteilung und Anzahl der Magneträder einer Achse auszuführen. Bei diese Anordnung wird das Op­ timum hinsichtlich Laufruhe und Drehmomentenverlauf erreicht.

Der axiale Abstand der auf einer Welle angebrachten Räder soll einen Mindestwert nicht unterschreiten, um den magnetischen Streufluß hinreichend gering zu halten.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ma­ gnetgetriebes gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten magnetischen Getrieben ist, daß die Übertragung vergleichsweise sehr hoher Drehmo­ mente erreicht wird. Die hohen Drehmomente sind da­ durch möglich, daß mehrere Magnetpole des magneti­ schen Abtriebsrades mit den Polen der Magnetfluß­ führung gleichzeitig im magnetischen Eingriff ste­ hen. Weiterhin zeichnen sich die erfindungsgemäßen Ausführungen magnetischer Parallelachsengetriebe im Vergleich zu mechanischen Getrieben durch ver­ schleiß- und wartungsfreies und geräuscharmes Ar­ beiten aus. Bei Drehmomentüberlastung können sie nicht zerstört werden, da die Magneträder in diesem Fall durchrutschen. Weiterhin entfällt die Schmie­ rung der Getrieberäder. Das Übersetzungsverhältnis und das Drehmomentverhältnis ergibt sich aus dem Quotienten der Polteilung der Permanentmagnete auf der antreibenden und der anzutreibenden Seite einer Stufe und läßt sich damit in einfacher Weise den Erfordernissen anpassen.

Je größer das maximal übertragbare Drehmoment sein soll, umso mehr Pole der An- und Abtriebsräder müs­ sen gleichzeitig im magnetischem Eingriff stehen. Aus diesem Grund empfiehlt sich, die Flußführungs­ elemente so zu formen, daß sie die Räder in ihrem Umfang nahezu vollständig umschließen.

Eine Veränderung des Drehmomentverlaufes ist durch Verwendung spezieller Magneträder erreichbar. Eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Ge­ triebes entsteht durch die Verwendung von Magneträ­ dern, bei denen die Magnetpole auf der Oberfläche eines weichmagnetischen Zahnes dadurch erzeugt wer­ den, daß eine homogen axial magnetisierte Perma­ nentmagnetscheibe seitlich neben einem weichmagne­ tischen Zahnrad angeordnet ist. Die Verwendung nie­ derremanenter Magnetmaterialien gestattet durch die hier auftretende Konzentration des Magnetflusses höhere Drehmomente zu erreichen. Diese Anordnung zeichnet sich außerdem durch geringere Herstel­ lungskosten aus.

In einer alternativen Ausführungsform werden an­ stelle der Magneträder einer Welle verzahnte Räder eingesetzt und die Permanentmagnete im umgebenden Stator aufgebracht. Der Fluß dieser Permanentma­ gnete überlagert sich dem bereits vorhandenen Ma­ gnetfluß, so daß im Bereich der Zähne über den In­ nenumfang des Stators ein etwa rechteckförmiger Feldverlauf entsteht, der mit den Zahnflanken das Drehmoment bildet. Diese Variante eignet sich be­ sonders dann, wenn kleine Rotorträgheitsmomente er­ forderlich sind, da die schweren Permanentmagnete im Stator untergebracht sind und somit der Rotor trägheitsarm ausgeführt werden kann. Außerdem wird bei sonst etwa gleichen Getriebecharakteristiken Magnetmaterial eingespart.

Ferner ist es möglich, das erfindungsgemäße Paral­ lelwellengetriebe für Mehrmotorenantrieb auszule­ gen. Jede der Antriebswellen wird dabei über einen Motor angetrieben und liefert im Fall gleichartiger Motoren den gleichen Beitrag zum Gesamtdrehmoment, das an der Abtriebswelle abgenommen werden kann.

Für den Grenzfall eines unendlich großen Radius er­ hält man ein lineares magnetisches Element, das auch eine Linearbewegung vollführt. Dann arbeitet das Magnet- bzw. Zahnrad mit linear angeordneten Magnetpolen zusammen.

Aufgrund der auftretenden Hysterese- und Wirbel­ stromverluste ist eine Kühlung des Getriebes zweck­ mäßig. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfin­ dung, die besonders für Dauerbetrieb geeignet ist, sieht deshalb vor, das aktive Material des Paral­ lelwellengetriebes in einem Kühlrippengehäuse anzu­ ordnen.

Die Erfindung soll im folgendem anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert werden. In den zu­ gehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des magne­ tischen Parallelwellengetriebes mit Magnetflußführung,

Fig. 2 die Anordnung der Magneträder auf den Wellen,

Fig. 3 eine Variante der Ausprägung der magnetischen Pole am Umfang eines Magnetrades,

Fig. 4 eine Ausführungsform für ein Magnet­ rad,

Fig. 5 eine Variante des magnetischen Parallelwellengetriebes ohne Verzah­ nung der Flußführung,

Fig. 6 die Anordnung der aktiven Teile eines Parallelwellengetriebes für Mehrmoto­ renantrieb,

Fig. 7 ein Parallelwellengetriebe für Mehr­ motorenantrieb mit Kühlrippengehäuse.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des magneti­ schen Parallelwellengetriebes mit der Magnetfluß­ führung dargestellt. Das antreibende Magnetrad (1) ist am Umfang mit Permanentmagneten (5) bestückt und wird von der Welle (7) angetrieben. Der Magnet (2) des angetriebenen Rades (2) ist am Magnetträger (6) aus ferromagnetischem Stahl befestigt. Der Ma­ gnetfluß wird über das weichmagnetische Stator­ blechpaket (3) geleitet. Die Gehäuseteile, an denen die magnetische Flußführung befestigt ist, und die sich in der Nähe der magnetischen Flußführung be­ finden, bestehen aus unmagnetischem Material. Die Flußführung besitzt an jenen Stellen, an denen der magnetische Fluß in das Magnetrad (1, 2) eintritt, eine Verzahnung. Die Teilung dieser Verzahnung stimmt dabei mit der Anzahl gleichsinniger Magnet­ pole des Magnetrades (1, 2) überein. Das gesamte Getriebe wird vom Getriebegehäuse (4) umschlossen.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Magneträder (1) und (2) auf den zugehörigen Wellen. Auf jeder Welle sind mindestens zwei Magneträder angebracht.

Eine Möglichkeit der Ausprägung der magnetischen Pole am Umfang des antreibbaren Magnetrades ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Bei den antreibba­ ren Magneträdern sind hier die Magnetpole geschrägt magnetisiert. Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungs­ form besitzt Magnetpole (6) auf der Oberfläche ei­ nes weichmagnetischen Zahnes. Hierzu ist neben dem weichmagnetischem Zahnrad (8), in das Nuten (9) für die Pollücken eingearbeitet sind, eine homogen axial magnetisierte Permanentmagnetscheibe (7) an­ gebracht.

Fig. 5 zeigt eine Variante des magnetischen Paral­ lelwellengetriebes mit einem verzahnten antreibba­ ren Magnetrad (11). Die Permanentmagnete sind hier­ bei in einem als magnetische Flußführung dienenden ungezahnten Statorblechpaket angeordnet und die Verzahnung befindet sich im Rotorblech-Paket, so daß der Rotor keine Permanentmagnete mehr enthält.

Eine Gestaltungsmöglichkeit für einen Mehrmotoren­ antrieb ist in Fig. 6 dargestellt. Bei dieser für hohe Übersetzungen geeigneten Bauform sind um die Abtriebswelle (6) mehrere Antriebe angeordnet. Die Antriebe besitzen auf ihrer Antriebswelle (1) dia­ metral magnetisierte Permanentmagnete (2). Der Ma­ gnetfluß wird über ein Statorblechpaket (3) mit aufgeklebten Magnetblöcken (4) auf das gezahnte Ro­ torblechpaket (5) geleitet.

Zweckmäßigerweise wird der Mehrmotorantrieb - wie in Fig. 7 dargestellt - in einem Kühlrippengehäuse untergebracht. Aus den Varianten gemäß Fig. 6 und Fig. 7 lassen sich Lineargetriebe dadurch erzeu­ gen, daß bei einer am Bohrungsdurchmesser der Ab­ triebsräder durchgeführten Abwicklung ein Mehrmoto­ ren-Lineargetriebe entsteht, wobei bei entsprechen­ der Lagerung die Abtriebsräder durch linear beweg­ liche Elemente ersetzt werden.

Claims (15)

1. Magnetisches Parallelwellengetriebe zur berüh­ rungslosen Übertragung von Drehmomenten, bestehend aus am Umfang mit Magneten versehenen Rädern, von denen wenigstens zwei drehbar gelagert auf Wellen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - auf jeder Welle mindestens zwei mehrpolige Magne­ träder angeordnet sind,
• - die Magneträder einer Welle relativ gegeneinander verdreht angeordnet sind,
• - zwischen jedem Paar von den An- und Abtriebsma­ gneträdern jeweils zwei im Abstand zueinander ver­ laufende Flußführungselemente aus ferromagnetischem Material angebracht sind, die den Magnetfluß quer zur Welle von einem Magnetrad zum anderen leiten und eine Verzahnung besitzen, welche der Teilung der gleichen Pole der zugehörigen Magneträder ent­ spricht.

2. Magnetisches Parallelwellengetriebe zur berüh­ rungslosen Übertragung von Drehmomenten, bestehend aus Rädern, von denen wenigstens zwei drehbar gela­ gert auf Wellen angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - auf einer oder beiden Wellen mindestens zwei Rä­ der angeordnet sind, die auf dem Umfang eine Ver­ zahnung besitzen,
• - auf der evtl. verbleibenden Welle mindestens zwei mehrpolige Magneträder angeordnet sind,
• - die Räder einer Welle relativ gegeneinander ver­ dreht angeordnet sind,
• - die Räder von einem Stator umgeben sind, der zu den Rädern weisend mit in Umfangsrichtung angeord­ neten Magnetpolen mit alternierendem Vorzeichen sind, deren räumliche Anordnung etwa der der Ver­ zahnung entspricht.

3. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder auf den An- und Abtriebswellen un­ terschiedliche Polzahlen aufweisen.

4. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einer Welle angebrachten Räder jeweils in einem axialen Mindestabstand angeordnet sind.

5. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußführungselemente die Räder im Hinblick auf ihren Umfang nahezu vollständig umschließen.

6. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile in der Nähe der magnetischen Fluß­ führung aus unmagnetischem Material bestehen.

7. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneträder einer Welle um den Quotienten aus Polteilung und Anzahl der Magneträder pro Achse verdreht angeordnet sind.

8. Magnetische Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete der höherpoligen Bauteile radial oder lateral am Umfang magnetisiert sind und die Magnete der niederpoligen Bauteile radial oder diametral magnetisiert sind.

9. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial für die Magnete ein Blechpaket aus einzelnen, gegeneinander isolierten Elektro­ blechen verwendet wird.

10. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Flußführung aus gegeneinander iso­ lierten Elektroblechen besteht.

11. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einen der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Permanentmagnete in einem als magnetische Flußfüh­ rung dienenden ungezahnten Statorblechpaket ange­ ordnet sind und der Rotor durch ein gezahntes Blechpaket gebildet wird.

12. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß um das angetriebene Magnetrad bzw. Zahnrad herum mehrere antreibende Magneträder bzw. Zahnräder an­ geordnet sind.

13. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebselemente linear ausgebildet sind und mit einer Führung für translatorische Bewegungen verbunden sind.

14. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Mehrstufengetriebes weitere mit Magneträdern bzw. Zahnrädern versehene Wellen, die in der gleichen Weise ausgebildet und miteinander verbunden sind, angebracht sind, wobei die Wellen mit den hochpoligen Rädern noch zusätzlich nieder­ polige Räder enthält.

15. Magnetisches Parallelwellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Teile des Getriebes in einem Kühlrip­ pengehäuse untergebracht sind.