WO2012003846A1 - Stator für ein magnetisches getriebe sowie dessen herstellungsverfahren - Google Patents

Stator für ein magnetisches getriebe sowie dessen herstellungsverfahren Download PDF

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magnetic
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Markus Reinhard
Heinrich Windischmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines

Definitions

  • so-called magnetic transmissions are known, for example from the document EP 0849869. These consist of at least two rotors (also rotor, input and output side) and a stator or stator.
  • the runners wear permanent magnets of different number of poles. The number of poles for each rotor results from a design rule.
  • the driven rotor generates in the air gap (between the first
  • Rotor and stator a magnetic rotating field, which rotates synchronously with the rotor as a function of the number of poles.
  • the stand is partly made of soft magnetic materials. These are usually laminated iron, soft magnetic composite materials or
  • Task of the stator is the modulation of the alternating magnetic field from the drive side in a suitable manner, so that the field on the output side, ie in the second air gap between the stator and the output-side rotor rotates at a different frequency.
  • a change in the speed (esp. Reduction) can be achieved when the field of the second rotor magnetically couples with this field.
  • the stator is a disk-shaped structure (in the case of an axial-flow transmission) that takes up (circularly) segment-shaped iron parts for magnetic field modulation.
  • the stand is thickened on the edges on both sides, so that on each side of a cylindrical bowl is formed. In this recess, the disc-shaped rotor can be introduced during assembly.
  • the gearbox is mounted by the two disc-shaped end shields from left and right to the stand be flanged by means of screws. In the middle, the stand has a hole, so that the stand is not a disc but a discus prior art
  • stators / stands of magnetic gears arranged in the axial flow direction is in the durability.
  • the iron segments causing the modulation are placed in a bed of epoxy resin. Eddy currents heat the iron segments during operation. Since the coefficient of thermal expansion of iron is significantly different from that of resin, it causes mechanical stresses in the component, which can lead to destruction of the component. The problem of the expansion caused by heating can not be solved. Alone the stress cracks could possibly be minimized by a complex adaptation of the formulation of the resin or by an additional soft layer between iron and resin.
  • the device consists of a stator in a magnetic transmission for modulating an alternating magnetic field between two rotors, consisting of a carrier material and soft magnetic elements embedded therein, wherein the carrier material is concrete.
  • the object is further achieved according to claim 14 and 15 by a manufacturing method.
  • a manufacturing method In the process for producing a novel
  • the Metal parts are held in position during the casting of the concrete into the mold, the metal parts by magnets fixed under the mold.
  • the metal parts are held in position according to a second claim by the clamped fibers and / or hoses introduced.
  • the stator or stator of a magnetic transmission according to the invention is inexpensively made of concrete. Concrete and iron can be matched with respect to the coefficient of thermal expansion. This is used, for example, in reinforced concrete. The stress cracks described above as disadvantageous do not occur in this way.
  • the stator or stator for a magnetic transmission is inexpensive to manufacture and avoids the previous problems of thermal expansion by a suitable choice of materials by the support structure is made entirely of electrically and magnetically non-conductive material and the magnetic flux conducting elements of the coefficient of thermal expansion are matched with the support material.
  • the concrete stand is at least equal to a resin stator / stand.
  • the inventive stator / stator can be better reprocessed.
  • the costs for a concrete stand are significantly lower. ger, the costs for the magnetic flux conducting elements remain the same.
  • aggregate fibers of non-magnetic and electrically non-conductive material can be added to the concrete.
  • This can e.g. Glass fibers, mineral fibers or natural fibers (for example cotton).
  • quartz sand can still be considered as aggregate material.
  • Coarse grained material such as gravel is not suitable.
  • the steel bars in the "concrete stand" can be supplemented or replaced by tensile fibers.
  • Tensile fibers can only be loaded with tension while the concrete is subjected to pressure is loadable.
  • the tensile fibers complement each other well with the concrete.
  • the tensile fibers are fibers other than the aggregate fibers.
  • the tensile fibers can be tensioned as needed.
  • the fibers also allow a firm connection of inner and outer ring as long as the concrete has not yet set.
  • the tensile fibers can z. B. aramid, mineral fiber or glass fiber. Less favorable are electrically conductive carbon fibers.
  • openings may be made in the inner and outer wheels of the mold through which the fibers are drawn. Outside the casting room, the fibers are clamped. After setting the concrete, the clamp can be loosened and the stand can be formed. Additional fibers can not only radially, but also z. B. clamped annularly, attached to the radial fibers.
  • woven hoses are used instead of the tensile fibers. These hoses can further advantageously record the iron parts or temperature sensors in the stator / stand and fix until the concrete has set.
  • the iron parts During the casting process of the concrete, the iron parts must be firmly fixed in the mold to prevent slipping through the liquid concrete. In series production, the iron parts can be held in position by electric magnets located below the casting mold. If the concrete has hardened enough, the magnets can be switched off. Possibly. the fixation of the iron parts can also be done by the fibers or fiber tubes.
  • the stator can be used especially to dimension the outer ring much thinner. It can also be completely omitted in a further embodiment of the invention. It would be particularly easy to cast the stator / stand as a disc. To create space for the runners, the end shields are then configured cylindrically shaped as turned parts. The rotors then rotate in the bore of the end shields and the stator can be disk-shaped.
  • FIGS. 1 a and 1 b show a mold for the stator / stator
  • FIG. 2 shows the stator in plan view
  • Figure 6 shows the magnetic transmission in assembled condition. Shown in Figure 1 a), the mold in section. The elevation in the middle is used to shape the hole. Furthermore, the possible filling height of the mold is indicated by the dashed line.
  • FIG. 1 b shows a stator cast in this way in plan view.
  • the flux-carrying parts 3, 4 are embedded in the concrete mass 1 according to the invention as described above.
  • the outer ring 2 is somewhat thicker in this example and includes further holes. To screw the stand to the end shields.
  • Figures 3 to 6 illustrate the operation of the magnetic gear.
  • FIG. 6 shows the gearbox in assembled form, with ball bearings 67.

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Abstract

Die Anmeldung beschreibt eine Vorrichtung umfassend einen Stator in einem magnetischen Getriebe zur Modulation eines magnetischen Wechselfeldes zwischen zwei Läufern. Der Stator ist aus einem Trägermaterial und darin engebetteten weichmagnetischen Elementen wobei das Trägermaterial erfindungsgemäß Beton ist. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Herstellungsverfahren. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden während des Gießvorgangs des Betons in die Gießform die Metallteile durch unter der Gießform befestigte Magneten in Position gehalten. Alternativ werden die Metallteile gemäß einem zweiten Patentanspruch durch die ein- gespannten Fasern und/oder eingebrachten Schläuche in Position gehalten.

Description

Beschreibung
STATOR FÜR EIN MAGNETISCHES GETRIEBE SOWIE DESSEN HERSTELLUNGSVERFAHREN
Fachgebiet der Erfindung
Seit einiger Zeit sind sogenannte magnetische Getriebe be- kannt, beispielsweise aus der Druckschrift EP 0849869. Diese bestehen aus mindestens zwei Läufern (auch Rotor, An- und Abtriebsseite) und einem Stator oder Ständer. Die Läufer tragen Permanentmagnete unterschiedlicher Polzahl. Die Polzahl für jeden Läufer ergibt sich dabei aus einer Auslegungsregel. Der angetriebene Läufer erzeugt im Luftspalt (zwischen erstem
Läufer und Ständer) ein magnetisches Drehfeld, das in Abhängigkeit von der Polzahl synchron mit dem Läufer dreht.
Der Ständer besteht zum Teil aus weichmagnetischen Werkstoffen. Es handelt sich meist um geblechtes Eisen, weichmagneti- sehe Verbundmaterialien (Soft Magnetic Composites) oder
Weichferrit .
Aufgabe des Ständers ist die Modulation des magnetischen Wechselfeld von der Antriebsseite in geeigneter Weise, so dass das Feld auf der Abtriebsseite, d. h. im zweiten Luftspalt zwischen Ständer und abtriebsseitigem Läufer, mit einer anderen Frequenz rotiert. Somit kann eine Veränderung der Drehzahl (insb. Untersetzung) erreicht werden, wenn das Feld des zweiten Läufers magnetisch mit diesem Feld koppelt. Der Ständer ist ein scheibenförmiges Gebilde (bei einem Axialflussgetriebe) , dass (kreis) segmentförmige Eisenteile zur Magnetfeldmodulation auf nimmt. Oft ist der Ständer an den Rändern auf beiden Seiten verdickt, so dass auf jeder Seite eine zylinderförmige Schüssel entsteht. In diese Vertiefung können die scheibenförmigen Läufer bei der Montage eingeführt werden. Montiert wird das Getriebe, indem die beiden scheibenförmigen Lagerschilde von links und rechts an den Ständer mittels Schrauben angeflanscht werden. In der Mitte weist der Ständer ein Loch auf, so dass der Ständer nicht eine Scheibe sondern einen Diskus darstellt Stand der Technik
Das Problem bei Statoren / Ständern von magnetischen Getrieben mit Anordnung in Axialflussrichtung liegt in der Haltbarkeit. In der Regel werden die Eisensegmente, die die Modula- tion bewirken, in ein Bett aus Epoxydharz gelegt. Durch Wirbelströme erwärmen sich die Eisensegmente im Betrieb. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Eisen deutlich anders als der von Harz ist, kommt es zu mechanischen Spannungen im Bauteil, die zu einer Zerstörung des Bauteils führen können. Das Prob- lern der durch Erwärmung verursachten Ausdehnung kann nicht gelöst werden. Alleine die Spannungsrisse könnten durch eine aufwendige Anpassung der Rezeptur des Harzes oder durch eine zusätzliche weiche Schicht zwischen Eisen und Harz eventuell minimiert werden.
Zur Verstärkung des Ständers werden oftmals Stahlstäbe in das Harz eingebettet. Auch metallische Ringe außen und/oder innen verleihen Stabilität. Diese Maßnahmen sind aber auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit der Metallteile stark Verlust be- haftet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für einen Stator anzugeben, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein vorteil- haftes Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Vorrichtung anzugeben.
Darstellung der Erfindung Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Die Vorrichtung besteht aus einem Stator in einem magnetischen Getriebe zur Modulation eines magnetischen Wechselfeldes zwischen zwei Läufern, bestehend aus einem Trägermaterial und darin engebetteten weichmagnetischen Elementen wobei das Trägermaterial Beton ist.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst gemäß Patentanspruch 14 und 15 durch ein Herstellungsverfahren. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden während des Gießvorgangs des Betons in die Gießform die Metallteile durch unter der Gießform befestigte Magneten in Position gehalten. Alternativ werden die Metallteile gemäß einem zweiten Patentanspruch durch die einge- spannten Fasern und/oder eingebrachten Schläuche in Position gehalten .
Der Stator oder auch Ständer eines magnetischen Getriebes wird erfindungsgemäß kostengünstig aus Beton gefertigt. Beton und Eisen können hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten aufeinander abgestimmt werden. Dies macht man sich beispielsweise bei Stahlbeton zu Nutze. Die weiter oben als nachteilig beschriebenen Spannungsrisse treten so nicht auf. Der Stator oder Ständer für ein magnetisches Getriebe ist kostengünstig zu fertigen und vermeidet durch eine geeignete Materialwahl die bisherigen Probleme der Wärmeausdehnung, indem die Tragstruktur komplett aus elektrisch und magnetisch nichtleitendem Material besteht und die magnetflussführenden Elemente vom Wärmeausdehnungskoeffizient mit dem Tragmaterial abgestimmt sind.
Unter Kosten- und Umweltaspekten ist der Betonständer einem Stator/Ständer aus Harz zumindest ebenbürtig. Der erfindungs- gemäße Stator / Ständer lässt sich besser wiederaufarbeiten. Die Kosten für einen Ständer aus Beton sind deutlich gerin- ger, die Kosten für die magnetflussführenden Elemente bleiben gleich .
Beton bietet gegenüber dem bisher verwendeten Epoxydharz fol- gende Vorteile:
• Beton ist günstig in der Anschaffung.
• Beton ist leicht zu verarbeiten.
• Der Formenbau ist bekannt.
• Beton ist sehr druckfest
· Beton ist alterungsbeständig
• Beton ist sehr wärmefest
• Mittels Trennmitteln ist der fertige Stator / Ständer leicht aus der Gießform zu lösen
• Es sind keine aufwendigen Anlagen oder besonderes Wissen nötig.
• Beton ist kein Gefahrgut.
• Nach der Nutzung kann der Ständer problemlos entsorgt und recycelt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü- chen angegeben.
Die zusätzliche Verarbeitung von hochreißfesten Fasern (zur Verbesserung der Zugfestigkeit) , die auch, wie weiter unten beschrieben, zusätzliche Funktionen übernehmen können, stel- len eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dar.
Um die mechanische Festigkeit zu steigern, können dem Beton Zuschlagfasern (Faserbeton) aus nichtmagnetischem und elektrisch nichtleitendem Material zugemischt werden. Dies können z.B. Glasfasern, Mineralfasern oder Naturfasern (z.B. Baum- wolle) sein.
Als Zuschlagmaterial kommt beispielsweise weiterhin Quarzsand in Frage. Grobkörniges Material wie Kies ist nicht geeignet. Vorteilhafterweise können die Stahlstäbe beim "Betonständer" durch zugfeste Fasern ergänzt oder ersetzt werden. Zug-Fasern sind nur auf Zug belastbar, während der Beton auf Druck be- lastbar ist. Somit ergänzen sich die Zug-Fasern gut mit dem Beton. Es handelt sich bei den Zug-Fasern um andere Fasern als die Zuschlagfasern. Die Zug-Fasern können je nach Bedarf gespannt werden. Die Fasern ermöglichen auch eine feste Verbindung von innerem und äußerem Ring solange der Beton noch nicht abgebunden hat.
Die Zug-Fasern können z. B. aus Aramid, Mineralfaser oder Glasfaser sein. Weniger günstig sind elektrisch leitfähige Kohlenstofffasern . Zum Spannen der Fasern können im Innen- und Außenrad der Form Öffnungen eingebracht sein, durch die die Fasern gezogen werden. Außerhalb des Gießraums werden die Fasern festgeklemmt. Nach dem Abbinden des Betons kann die Klemmung gelöst werden und der Ständer kann ausgeformt werden. Zusätzliche Fasern können nicht nur radial, sondern auch z. B. ringförmig verspannt werden, befestigt an den radialen Fasern .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden anstatt den Zug-Fasern gewebte Schläuche verwendet. Diese Schläuche können weiterhin vorteilhafterweise die Eisenteile oder Temperatursensoren im Stator / Ständer aufnehmen und fixieren bis der Beton abgebunden hat.
Da die Magnete auf die Eisenzähne eine axiale Kraft ausüben, müssen gegen eine axialen Verschiebung der Eisenteile Vorkehrungen getroffen werden. Dies ist insbesondere auch bei der Montage des gesamten Getriebes wichtig, wenn kurzzeitig nur die Kraft von einem Läufer auf den Stator / Ständer wirkt. Denkbar ist die Verwendung von zwei Platten aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material, wie z. B. Kunststoff. Die Platten drücken von beiden Seiten auf den Stator/Ständer des Getriebes und verhindern so ein Verrutschen der Eisenzähne. Um den Wirkungsgrad zu steigern, sollten diese Platten nur sehr dünn sein. Noch besser ist es, wenn die Zähne fest im Beton verankert sind, so dass in axialer Richtung keine Vorkehrungen (wie die Platten) zu treffen sind. Eine Verankerung im Beton ist durch die Form der Eisenstücke realisierbar, wenn diese z. B. Nuten aufweisen, die vom dünnflüssigen Beton aufgefüllt werden. Oben wurde bereits die Möglichkeit erwähnt zur Fixierung die in den Beton einge- brauchten Schläuche zu nutzen.
Während des Giesvorgangs des Betons müssen die Eisenteile fest in der Form fixiert werden, um ein Verrutschen durch den flüssigen Beton zu vermeiden. In der Serienproduktion können die Eisenteile durch unterhalb der Gießform liegende Elektro- magnete in Position gehalten werden. Wenn der Beton genügend abgebunden hat, können die Magnete abgeschaltet werden. Evtl. kann die Fixierung der Eisenteile auch durch die Fasern, bzw. Fasernschläuche erfolgen.
Um die Festigkeit des Systems zu erhöhen, kann um den Ständer z.B. eine GFK-Bandage gewickelt werden.
Dies kann vor allem dazu genutzt werden, den äußeren Ring deutlich dünner zu dimensionieren. Er kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch ganz weggelassen werden. Besonders einfach wäre der Stator / Ständer als Scheibe zu gießen. Um Bauraum für die Läufer zu schaffen, werden die Lagerschilde dann zylinderförmig als Drehteile ausgestaltet. Die Läufer drehen dann in der Bohrung der Lagerschilde und der Ständer kann scheibenförmig sein.
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungsformen Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen
Figur la und lb eine Gießform für den Stator / Ständer,
Figur 2 der Stator in der Draufsicht,
Figur 3 - 5 ein magnetisches Getriebe in Einzelteilen und
Figur 6 das magnetische Getriebe in zusammengebautem Zustand. Dargestellt ist in der Figur 1 a) die Gießform im Schnitt. Die Erhebung in der Mitte dient zur Ausformung des Lochs. Weiterhin ist die mögliche Füllhöhe der Form mit der gestrichelten Linie angedeutet.
In Figur 1 b) ist die selbe Gießform in der Draufsicht dargestellt. Beispielhaft sind vier radiale Zugfasern eingezeichnet, es ist jedoch eine beliebige andere Anzahl von Zugfasern denkbar . Um die Zahl der Klemmstellen zu reduzieren, wird im angegebenen Beispiel eine Faser im Wechsel innen und außen weitergeführt, so dass nur zwei statt acht Klemmstellen nötig sind. Figur 2 zeigt einen so gegossenen Stator in der Aufsicht. Die flussführenden Teile 3, 4 sind wie oben beschrieben in die erfindungsgemäße Betonmasse 1 eingebettet. Der äu- ßere Ring 2 ist in diesem Beispiel etwas dicker und beinhaltet weitere Bohrungen. Um den Ständer mit den Lagerschilden verschrauben zu können.
Die Figuren 3 bis 6 verdeutlichen die Funktionsweise des mag- netischen Getriebes. Die beiden äußeren Scheiben / Rotoren
62, 64 werden auf einer Welle 66, und Lager 67 gelagert. Der erfindungsgemäße Stator / Ständer 63 befindet sich zwischen den beiden Scheiben. Figur 6 zeigt das Getriebe in zusammengebauter Form, mit Kugellager 67.

Claims

Patentansprüche
Stator (63) in einem magnetischen Getriebe zur Modulation eines magnetischen Wechselfeldes zwischen zwei Läufern (64, 62)
bestehend aus einem Trägermaterial und darin engebetteten weichmagnetischen Elementen
dadurch gekennzeichnet, dass
das Trägermaterial Beton ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet dass
dem Beton Zugschlagfasern aus nichtmagnetischem und elekt risch nicht leitendem Material beigemengt sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass
es sich bei den Fasern um Glasfasern oder Mineralfasern oder Naturfasern, insbesondere Baumwolle, handelt.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass
dem Beton Zuschlagsmaterial, insbesondere Quarzsand, beigemengt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, da durch gekennzeichnet, dass
in den Stator zugfeste Fasern einspannt sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass
in den Stator zugfeste Schläuche eingespannt sind, welche zur Aufnahme von weiteren Bestandteilen des magnetischen Getriebes geeignet sind.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese Fasern aus Aramid oder Mineralfaser oder Glasfaser bestehen .
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass
im Innen- und/oder Außenrand der Vorrichtung Öffnungen (2) angebracht sind, zur Befestigung der Fasern und/oder
Schläuche.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, durch gekennzeichnet dass
die Fasern radial gespannt sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprücl dadurch gekennzeichnet dass
die Fasern ringförmig gespannt sind. 11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator ergänzt wird zu den Seiten der Rotoren durch Platten, zur Arretierung der Metallelemente gegen Verschiebungen in Richtung der Rotoren.
12. Vorrichtung nach Patentanspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Platten sehr dünn und aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material sind.
13. Vorrichtung nach Patentanspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
am äußeren Rand des Stators eine Verstärkung in Form einer Bandage, insbesondere mittels eines Glasfasergewebes, an- gebracht ist.
14. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass während des Gießvorgangs des Betons in die Gießform (Gießform) die Metallteile durch unter der Gießform befestigte Magneten in Position gehalten werden.
15. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 5 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
während des Gießvorgangs des Betons in die Gießform die Metallteile durch die eingespannten Fasern (Zugfaser) und/oder eingebrachten Schläuche in Position gehalten werden .
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