WO2013143766A2 - Magnetische reluktanzkupplung mit zwei rotoren - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic reluctance coupling for coupling a first shaft to a second shaft.
  • the magnetic coupling between two rotating shafts which can transmit torque controlled by the application of an electrical current, is advantageous for many applications. It can be transmitted without contact forces as needed. If, in particular, the magnetic field is switched off during electrical activation, an open clutch is realized.
  • the object of the present invention is therefore to be able to realize a coupling of two waves easier.
  • this object is achieved by a magnetic reluctance coupling for coupling a first shaft to a second shaft, wherein a hollow cylindrical stator with one or more magnets, which is / are arranged distributed on the circumference of the stator, a first rotor, within the stator is rotatably mounted, with the first Shaft is rotatably connected and has a plurality of circumferentially spaced, separated, ferromagnetic first sections, and a second rotor which is rotatably mounted within the first rotor, rotatably connected to the second shaft and a plurality of circumferentially spaced disposed ferromagnetic second Has sections.
  • the magnetic reluctance coupling is thus realized essentially by three components, namely stator, first rotor and second rotor, of which only the stator must have one or more magnets.
  • the first and the second rotor, which are connected to the two shafts, need only be made at least partially of ferromagnetic material.
  • the shafts or rotors can be easily replaced without the need for magnets.
  • the stator has two ferromagnetic rings which are arranged coaxially one behind the other and between which the magnet or magnets are arranged.
  • the magnetic field can be introduced in any angular position in the first rotor and led out of it.
  • the one or more magnets are each electromagnets. This makes it possible that the magnetic reluctance coupling is electrically controlled. In particular, the torque transmitted between the first and second shafts can thus be electrically influenced.
  • Each of the electromagnets may have a ferromagnetic core, which is a connecting piece between the two ferromagnetic rings, so that a gapless ferromagnetic connection exists between the two ferromagnetic rings. This results in a very low magnetic resistance between two coaxial successively arranged ferromagnetic rings.
  • each of the first portions of the first rotor is rod-shaped and has three subsections, a first and second subsection consisting of ferromagnetic material and disposed radially below the two ferromagnetic rings, and a third subsection consisting of a non-magnetic material and axially is arranged between the first and second subsection. Through the first and second subsection of the first section of the first rotor, the magnetic field from the rings is directed radially inward or radially outwardly into the rings.
  • the first rotor may comprise a disk-shaped holding element, on one side of which the first shaft and on the opposite, the other side, the first portions are fixed. In this way, torque can be transmitted from the first sections of the first rotor to the first shaft.
  • the second rotor has the same axial length as the first rotor, and this axial length corresponds to the axial length of the stator. This results in a compact and efficient magnetic reluctance coupling.
  • the second sections of the second rotor may be arranged in a star shape around the axis of rotation of the second rotor.
  • the second portions are in the middle of the second rotor, d. H. at the axis of rotation.
  • the radially incident magnetic fluxes are guided into the center and deflected axially or radially deflected and guided to the outside.
  • a clutch arrangement is also provided with the said magnetic reluctance coupling and a control device with which the magnetic reluctance coupling can be controlled such that in a coupling state a first magnetic field in the first and second rotor is directed in a first direction and immediately after completion of the engagement state Current pulses a second magnetic field in a first direction opposite to the second direction in the first and second rotor can be formed for their demagnetization.
  • FIG. 1 is a perspective view of an exemplary magnetic reluctance coupling according to the present invention
  • FIG. 2 shows the magnetic reluctance coupling of FIG. 1 from a different perspective
  • 6 shows the stator without windings
  • 7 shows an end view of the magnetic reluctance coupling with magnetic field lines
  • FIG 8 is a view of the magnetic reluctance coupling of FIG 1 and FIG 2 on an end face at a
  • the magnetic reluctance coupling is used for coupling a first shaft 1 with a second shaft 2. It has a stator 3, which has approximately tubular or hollow cylindrical shape. Inside the stator 3, a first rotor 4 is rotatably mounted. This rotor 4 is rotatably connected to the first shaft 1. Inside the first rotor 4, a second rotor 5 is mounted rotatably. The second shaft 2 is fixed against rotation with respect to it.
  • the two shafts 1 and 2 are arranged coaxially with respect to the axis of rotation 6.
  • the first shaft 1 is from one end face of the magnetic reluctance coupling and the second shaft 2 from the opposite other end face.
  • FIG. 1 shows the magnetic coupling from the side of the second shaft 2
  • FIG. 2 shows the magnetic reluctance coupling rather, from the side of the shaft 1.
  • a disk-shaped retaining element 7 of the first th rotor 4 can be seen, which is non-rotatably attached to the first shaft 1.
  • the disc-shaped holding element 7 is rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation 6.
  • the stator 3 has two ferromagnetic rings 8 and 9, which preferably have the same geometry. These two ferromagnetic rings 8 and 9 are arranged coaxially and have the common axis 6. They are spaced apart. Between them are located on the circumference evenly distributed more magnets, in the present example electromagnets with windings 10th
  • the magnets may be permanent magnets that generate a fixed magnetic field, which results in predetermined coupling properties between the first shaft 1 and the second shaft 2.
  • the magnets are electromagnets which are electrically controllable. In particular, such electromagnets are also switched off, so that then the waves 1 and 2 are decoupled from each other.
  • the structure of the magnetic reluctance coupling will first be described in detail with reference to FIGS. 3 to 6. It has, as already mentioned, the disc-shaped holding element 7. On one side of the support member 7, the shaft 1 is fixed in a rotationally fixed manner in the middle. The shaft 1 ends in this example on the holding member 7 and does not protrude therethrough. On the opposite side of the shaft 1 of the disc-shaped
  • Retaining element 7 are rod-shaped first portions 11 are attached. Their longitudinal axis extends parallel to the axis of rotation or shaft 1. They are arranged distributed uniformly on the outer edge of the support member 7 in the circumferential direction.
  • Each individual rod-shaped first section 11 is divided in the longitudinal direction 3. It has a proximal first subsection 12, a distal, second subsection 13 and an intermediate third sub-section 14.
  • the first sub-section 12 and the second sub-section 13 are made of a ferromagnetic material, while the intermediate third sub-section 14 is made of a non-magnetic material.
  • the first rotor 4 has four first sections 11.
  • the number of the first sections may, however, also be selected to be larger or smaller, for example. B. 1, 2, 3, 5, 6 etc.
  • the second rotor 5 shows the inner, second rotor 5. This has a star shape of the axis 6 outwardly projecting, ferromagnetic, second sections 15. They extend in the longitudinal direction, d. H. in the direction of the axis 6 as far as the first sections 11 of the first rotor 4.
  • the second rotor 5 is preferably formed in one piece, so that the second sections 15 in the center, d. H. in the area of the axis 6 merge into each other.
  • the second shaft 2 is rotatably attached.
  • FIG. 5 shows the stator 3 in the non-assembled state.
  • the electromagnets are evenly distributed around the circumference of the stator 3. They do not protrude into the interior of the stator 3, which is defined by a cylinder which is bounded by the inner surfaces of the two rings 8 and 9.
  • the winding axes of the windings 10 run parallel to the central axis of the stator 3.
  • FIGS 7 to 9. 7 shows an end view of the coupling. It can be seen the stator 3 with the ring 8, in the interior of the outer, first rotor 4 runs, can be seen from the subsections 13. From the inner, second rotor 5, the second portions 15 can be seen. In addition, the second wave 2 is located.
  • the second sections 15 of the inner rotor 5 are exactly opposite the respective first sections 11 or subsections 13 of the first rotor 4. Therefore, the magnetic field lines 18 extend in the radial direction through the second rotor in its central portion 19, in which all second portions 15 run into each other. In the central section 19, the magnetic field lines extend in one direction into the plane of the drawing, as the symbol 20 indicates.
  • the magnetic field lines continue along the axis 6 to the other end of the second rotor 5. There, they are directed radially outward into the second sections 15. They then penetrate the first subsections 12 of the first sections 11 of the first rotor 4 in the radial direction to the outside. Then they open into the radially overlying rings 9, from which they are fed back into the respective electromagnets.
  • the magnetic reluctance coupling is thus based on a dc field, which is generated by one or more coils 10 with a corresponding winding sense in the iron cycle.
  • the circle is formed by the stator 3 and the two rotors 4 and 5, which are each connected to one side of the shafts 1, 2.
  • the air gap or the magnetic resistance of the arrangement changes, as can be seen from FIGS.
  • the reluctance principle states that such an arrangement will tend to keep the air gap or the magnetic resistance as small as possible, which z. B. in reluctance motors or magnetic bearings is used technically. This leads, for example, in the position of the first rotor 4 shown in FIG. 8 relative to the second rotor 5, to a force acting on the shafts 1, 2 when the field is applied, by corresponding rotor teeth or sections two rotors 4, 5 to rotate in the same angular position.
  • the number of teeth of the rotors 4 and 5 can also be other than four.
  • the outer rotor 4 and the inner rotor 5 have the same number of teeth. But this is not mandatory.
  • the stator 3 has at least one magnetic connection between the one ring 8 and the other ring 9 via a magnet. But it can also be realized several compounds, which are then preferably each formed by electromagnets. There is no relation between the number the teeth of the rotors and the number of connections or magnets in the stator 3.
  • windings are expediently flowed through by the same current and constructed with the same winding sense, so that the fields add up.
  • the windings can also be controlled differently, for example, to compensate for additional forces.
  • stator and the rotors can be constructed of solid parts depending on the required speed. If necessary, some components such as the stator rings for higher speeds must be performed laminated.
  • the advantage of the solution according to the invention is that neither a converter nor sliding contacts are necessary for generating a rotating alternating field. An easily generated direct current is sufficient.
  • the electromagnets must be de-energized. However, to achieve complete decoupling, an actual field clearance of the magnetic circuit must be ensured. For this purpose, any remanence must be deliberately reduced by suitable current pulses. For the current pulses, the current must be adjusted so that the field in the iron is reversed.

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Abstract

Magnetische Reluktanzkupplung mit zwei Rotoren Es soll eine einfach aufgebaute magnetische Kupplung bereitgestellt werden. Hierzu wird eine magnetische Reluktanzkupplung zum Kuppeln einer ersten Welle (1) mit einer zweiten Welle (2) vorgeschlagen, die einen hohlzylindrischen Stator (3) mit mindestens einem Magneten (10), der/die am Umfang des Stators verteilt angeordnet ist/sind, aufweist. Die Reluktanzkupplung weist außerdem einen ersten Rotor (4), der innerhalb des Stators (3) drehbeweglich gelagert ist, mit der ersten Welle (1) drehfest verbunden ist und mehrere an seinem Umfang verteilt angeordnete, voneinander getrennte, ferromagnetische erste Abschnitte aufweist, sowie einen zweiten Rotor (5) auf, der innerhalb des ersten Rotors (4) drehbeweglich gelagert ist, mit der zweiten Welle (2) drehfest verbunden ist und mehrere an seinem Umfang verteilt angeordnete, ferromagnetische zweite Abschnitte aufweist.

Description

Beschreibung
Magnetische Reluktanzkupplung mit zwei Rotoren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Reluktanzkupplung zum Kuppeln einer ersten Welle mit einer zweiten Welle .
Es existieren zahlreiche Lösungen für magnetische Kupplungen. Diese basieren fast alle auf durch Permanentmagnete erzeugten Magnetfeldern. Die einfachste Realisierungsform einer magnetischen Kupplung besteht aus zwei gegenüber angeordneten, rotierenden Magneten. Hierdurch ergibt sich eine berührungslose, aber nicht trennbare Kupplung. Ersetzt man eine Seite dieser mit Permanentmagneten realisierten Kupplung durch eine Drehfeldwicklung, kann die Kupplung auch schaltbar ausgeführt werden. Der Aufwand ist allerdings deutlich erhöht. Insbesondere ist nämlich Leistung auf die rotierende Welle induktiv oder mit Hilfe von Schleifkontakten zu übertragen.
Die magnetische Kupplung zwischen zwei rotierenden Wellen, die durch das Anlegen eines elektrischen Stroms gesteuert ein Drehmoment übertragen kann, ist jedoch für zahlreiche Anwendungen vorteilhaft. Es können Kräfte je nach Bedarf berührungslos übertragen werden. Wird insbesondere das Magnetfeld bei elektrischer Ansteuerung abgeschaltet, so ist eine offene Kupplung realisiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Kupplung von zwei Wellen einfacher realisieren zu können .
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine magnetische Reluktanzkupplung zum Kuppeln einer ersten Welle mit einer zweiten Welle, wobei einem hohlzylindrischen Stator mit einem oder mehreren Magneten, der/die am Umfang des Stators verteilt angeordnet ist/sind, einem ersten Rotor, der innerhalb des Stators drehbeweglich gelagert ist, mit der ersten Welle drehfest verbunden ist und mehrere an seinem Umfang verteilt angeordnete, voneinander getrennte, ferromagnetische erste Abschnitte aufweist, und einem zweiten Rotor, der innerhalb des ersten Rotors drehbeweglich gelagert ist, mit der zweiten Welle drehfest verbunden ist und mehrere an seinem Umfang verteilt angeordnete ferromagnetische zweite Abschnitte aufweist.
In vorteilhafter Weise wird die magnetische Reluktanzkupplung also im Wesentlichen durch drei Komponenten realisiert, nämlich Stator, erster Rotor und zweiter Rotor, von denen lediglich der Stator einen oder mehrere Magnete aufweisen muss. Der erste und der zweite Rotor, die mit den beiden Wellen verbunden sind, müssen lediglich zumindest teilweise aus fer- romagnetischem Material hergestellt werden. Damit können die Wellen bzw. Rotoren leicht ausgetauscht werden, ohne dass Magnete benötigt werden.
Vorzugsweise besitzt der Stator zwei ferromagnetische Ringe, die koaxial hintereinander angeordnet sind und zwischen denen der oder die Magnete angeordnet sind. Damit kann das magnetische Feld in jeder Winkellage in den ersten Rotor eingeführt bzw. aus ihm herausgeführt werden.
Besonders vorteilhaft ist außerdem, wenn der oder die mehreren Magnete jeweils Elektromagnete sind. Hierdurch ist es möglich, dass die magnetische Reluktanzkupplung elektrisch steuerbar ist. Insbesondere kann so das Drehmoment, das zwischen der ersten und zweiten Welle übertragen wird, elektrisch beeinflusst werden.
Jeder der Elektromagnete kann einen ferromagnetischen Kern aufweisen, der ein Verbindungsstück zwischen den zwei ferro- magnetischen Ringen darstellt, sodass zwischen den zwei fer- romagnetischen Ringen eine lückenlose ferromagnetische Verbindung besteht. Damit ergibt sich ein sehr geringer magnetischer Widerstand zwischen beiden koaxial hintereinander angeordneten ferromagnetischen Ringen. In einer Ausführungsform ist jeder der ersten Abschnitte des ersten Rotors stabförmig ausgebildet und besitzt drei Unterabschnitte, wovon ein erster und zweiter Unterabschnitt aus ferromagnetischem Material bestehen und radial unterhalb der zwei ferromagnetischen Ringe angeordnet sind, und ein dritter Unterabschnitt aus einem nicht magnetischen Material besteht und axial zwischen dem ersten und zweiten Unterabschnitt angeordnet ist. Durch den ersten und zweiten Unterabschnitt des ersten Abschnitts des ersten Rotors wird das Magnetfeld aus den Ringen radial nach innen gerichtet bzw. radial nach außen in die Ringe geführt.
Der erste Rotor kann ein scheibenförmiges Halteelement aufweisen, auf dessen einer Seite die erste Welle und auf dessen gegenüberliegender, anderer Seite die ersten Abschnitte befestigt sind. Auf diese Weise lässt sich Drehmoment von den ersten Abschnitten des ersten Rotors auf die erste Welle übertragen .
Vorzugsweise besitzt der zweite Rotor die gleiche axiale Länge wie der erste Rotor, und diese axiale Länge entspricht der axialen Länge des Stators. Hierdurch entsteht eine möglichst kompakte und effiziente magnetische Reluktanzkupplung.
Die zweiten Abschnitte des zweiten Rotors können sternförmig um die Drehachse des zweiten Rotors angeordnet sein. Damit berühren sich die zweiten Abschnitte in der Mitte des zweiten Rotors, d. h. an der Drehachse. Hierdurch werden die radial eintreffenden magnetischen Flüsse ins Zentrum geführt und axial umgelenkt bzw. radial umgelenkt und nach außen geführt.
Vorzugsweise sind die Wicklungen der Elektromagnete des Stators in Serie geschaltet. Hierdurch ergibt sich der gleiche elektrische Strom durch sämtliche Wicklungen der Elektromagnete, womit sich eine einfache Steuerung der magnetischen Reluktanzkupplung realisieren lässt. Erfindungsgemäß wird auch eine Kupplungsanordnung mit der genannten magnetischen Reluktanzkupplung und einer Steuereinrichtung bereitgestellt, mit der die magnetische Reluktanzkupplung so ansteuerbar ist, dass in einem Einkuppelzustand ein erstes magnetisches Feld im ersten und zweiten Rotor in eine erste Richtung gerichtet ist und unmittelbar nach Beenden des Einkuppelzustands durch Stromimpulse ein zweites magnetisches Feld in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung in dem ersten und zweiten Rotor zu deren Entmagnetisierung ausbildbar ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass nach einem Einkuppelzustand eine Restmagnetisierung in den Rotoren und gegebenenfalls auch in dem Stator abgebaut wird, sodass in einem Auskuppelzustand zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor tatsächlich kein Drehmoment mehr übertragen wird. Damit sind die beiden Wellen vollständig entkoppelt.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften magnetischen Reluktanzkupplung gemäß der vorliegenden Erfindung;
FIG 2 die magnetische Reluktanzkupplung von FIG 1 aus einer anderen Perspektive;
FIG 3 den äußeren, ersten Rotor der magnetischen Reluktanzkupplung;
FIG 4 den inneren, zweiten Rotor der magnetischen Reluktanzkupplung;
FIG 5 den Stator der Reluktanzkupplung mit Wicklungen;
FIG 6 den Stator ohne Wicklungen; FIG 7 eine Stirnseitenansicht der magnetischen Reluktanzkupplung mit Magnetfeldlinien;
FIG 8 eine Ansicht auf die magnetische Reluktanzkupplung von FIG 1 und FIG 2 auf eine Stirnseite bei einer
Stellung der Rotoren mit größerem magnetischen derstand und
FIG 9 eine Stellung der Rotoren bei minimalem magneti- sehen Widerstand.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsformen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar .
FIG 1 zeigt beispielhaft eine magnetische Reluktanz kupplung in einer dreidimensionalen Ansicht. Die magnetische Reluktanzkupplung dient zum Kuppeln einer ersten Welle 1 mit einer zweiten Welle 2. Sie besitzt einen Stator 3, der in etwa rohrförmige bzw. hohlzylindrische Gestalt besitzt. Im Inneren des Stators 3 ist ein erster Rotor 4 drehbar gelagert. Dieser Rotor 4 ist mit der ersten Welle 1 drehfest verbunden. Im Inneren des ersten Rotors 4 ist ein zweiter Rotor 5 drehbeweglich gelagert. An ihn ist die zweite Welle 2 drehfest fi- xiert .
Die beiden Wellen 1 und 2 sind koaxial bezüglich der Drehachse 6 angeordnet. Die erste Welle 1 steht von der einen Stirnseite der magnetischen Reluktanz kupplung ab und die zweite Welle 2 von der gegenüberliegenden anderen Stirnseite. Die
Drehachse 6 bildet somit das Rotationszentrum des ersten Rotors 4 und des zweiten Rotors 5. Darüber hinaus stellt sie die Mittelachse des rohrförmigen Stators 3 dar. Während FIG 1 die magnetische Kupplung eher von der Seite der zweiten Welle 2 zeigt, zeigt FIG 2 die magnetische Reluktanzkupplung eher von der Seite der Welle 1. In dieser Ansicht ist insbesondere ein scheibenförmiges Halteelement 7 des ers- ten Rotors 4 zu erkennen, das drehfest an die erste Welle 1 befestigt ist. Das scheibenförmige Halteelement 7 ist rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse 6. Wie die FIG 1 und 2 zeigen, besitzt der Stator 3 zwei ferro- magnetische Ringe 8 und 9, die vorzugsweise die gleiche Geometrie besitzen. Diese beiden ferromagnetischen Ringe 8 und 9 sind koaxial angeordnet und besitzen die gemeinsame Achse 6. Sie sind voneinander beabstandet. Zwischen ihnen befinden sich am Umfang gleich verteilt mehrere Magnete, im vorliegenden Beispiel Elektromagnete mit Wicklungen 10.
Bei den Magneten kann es sich um Permanentmagneten handeln, die ein festes Magnetfeld erzeugen, womit sich vorgegebene Kupplungseigenschaften zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 ergeben. Vorzugsweise handelt es sich bei den Magneten jedoch um Elektromagnete, die elektrisch steuerbar sind. Insbesondere sind solche Elektromagnete auch abschaltbar, sodass dann die Wellen 1 und 2 voneinander entkoppelt sind.
Bevor die Wirkungsweise der magnetischen Reluktanzkupplung erläutert wird, wird anhand der FIG 3 bis 6 zunächst der Aufbau der magnetischen Reluktanzkupplung im Detail dargestellt. So zeigt FIG 3 den äußeren, ersten Rotor 4. Er besitzt, wie bereits erwähnt wurde, das scheibenförmige Halteelement 7. An einer Seite des Halteelements 7 ist in der Mitte die Welle 1 drehfest fixiert. Die Welle 1 endet in diesem Beispiel an dem Halteelement 7 und ragt nicht durch dieses hindurch. Auf der der Welle 1 gegenüberliegenden Seite des scheibenförmigen
Halteelements 7 sind stabförmige erste Abschnitte 11 befestigt. Ihre Längsachse erstreckt sich parallel zur Drehachse bzw. Welle 1. Sie sind am Außenrand des Halteelements 7 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet.
Jeder einzelne stabförmige erste Abschnitt 11 ist in Längsrichtung 3 geteilt. Er besitzt einen proximalen ersten Unterabschnitt 12, einen distalen, zweiten Unterabschnitt 13 und einen dazwischen liegenden, dritten Unterabschnitt 14. Der erste Unterabschnitt 12 und der zweite Unterabschnitt 13 bestehen aus einem ferromagnetischen Material, während der dazwischen liegende dritte Unterabschnitt 14 aus einem nicht magnetischen Material gefertigt ist.
Im vorliegenden Fall besitzt der erste Rotor 4 vier erste Abschnitte 11. Die Anzahl der ersten Abschnitte kann aber auch größer oder kleiner gewählt werden, z. B. 1, 2, 3, 5, 6 etc.
FIG 2 zeigt den inneren, zweiten Rotor 5. Dieser besitzt sternförmig von der Achse 6 nach außen ragende, ferromagneti- sche, zweite Abschnitte 15. Sie erstrecken sich in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Achse 6 ebenso weit wie die ers- ten Abschnitte 11 des ersten Rotors 4. Der zweite Rotor 5 ist vorzugsweise einstückig gebildet, sodass die zweiten Abschnitte 15 im Zentrum, d. h. im Bereich der Achse 6 ineinander übergehen. An der einen Stirnseite des zweiten Rotors 5 ist die zweite Welle 2 drehfest befestigt.
FIG 5 zeigt den Stator 3 in nicht montiertem Zustand. Zwischen den beiden Ringen 8 und 9 befinden sich die Elektromag- nete, von denen hier lediglich die Wicklungen 10 zu erkennen sind. Die Elektromagnete sind am Umfang des Stators 3 gleich- mäßig verteilt. Sie ragen nicht in das Innere des Stators 3, das durch einen Zylinder definiert wird, welcher durch die Innenflächen der beiden Ringe 8 und 9 begrenzt ist. Die Wicklungsachsen der Wicklungen 10 verlaufen parallel zur Mittelachse des Stators 3.
FIG 6 zeigt den Stator 3 ohne die Wicklungen 10. Es sind daher ferromagnetische Verbindungsstücke 16 zwischen den beiden Ringen 8 und 9 zu erkennen, die die Kerne der Elektromagneten darstellen. Jedes der Verbindungsstücke 16 besitzt in etwa quaderförmige Gestalt und erstreckt sich in axialer Richtung von einem Ring 8 zum anderen Ring 9. Damit bestehen mehrere durchgängige ferromagnetische Brücken zwischen beiden Ringen 8 und 9. Das Wirkungsprinzip der magnetischen Reluktanz kupplung wird nun anhand der FIG 7 bis 9 näher erläutert. FIG 7 zeigt eine Stirnseitenansicht der Kupplung. Es ist der Stator 3 mit dem Ring 8 zu erkennen, in dessen Innerem der äußere, erste Rotor 4 läuft, von dem Unterabschnitte 13 zu erkennen sind. Von dem inneren, zweiten Rotor 5 sind die zweiten Abschnitte 15 zu erkennen. Außerdem ist die zweite Welle 2 eingezeichnet.
Durch die Elektromagnete (symbolisiert durch die Wicklungen 10) wird jeweils ein Magnetfeld erzeugt, das bei der gewählten Hohlrichtung aus der Zeichnungsebene herausgerichtet ist. Demnach verlaufen die Magnetfeldlinien gemäß den Symbolen 17 vom jeweiligen Elektromagneten in den Ring 8. Dort werden die Magnetfeldlinien in Umfangsrichtung umgelenkt. Sie verlaufen dort bis zum nächsten Unterabschnitt 13 des ersten Rotors. Durch diesen jeweiligen Unterabschnitt 13 werden die Magnetfeldlinien radial nach innen gelenkt.
In dem Beispiel von FIG 4 stehen die zweiten Abschnitte 15 des inneren Rotors 5 den jeweiligen ersten Abschnitten 11 bzw. Unterabschnitten 13 des ersten Rotors 4 exakt gegenüber. Daher verlaufen die Magnetfeldlinien 18 in radialer Richtung durch den zweiten Rotor in dessen Zentralabschnitt 19, in dem alle zweiten Abschnitte 15 ineinander laufen. Im Zentralabschnitt 19 verlaufen die Magnetfeldlinien in einer Richtung in die Zeichenebene hinein, wie das Symbol 20 andeutet.
Die Magnetfeldlinien verlaufen entlang der Achse 6 weiter zum anderen Ende des zweiten Rotors 5. Dort werden sie radial nach außen in die zweiten Abschnitte 15 gelenkt. Sie durchdringen dann die ersten Unterabschnitte 12 der ersten Ab- schnitte 11 des ersten Rotors 4 in radialer Richtung nach au- ßen. Anschließend münden sie in den radial darüber liegenden Ringen 9, von dem sie zurück in den jeweiligen Elektromagne- ten geführt werden. Die magnetische Reluktanzkupplung basiert also auf einem Gleichfeld, das durch eine bzw. mehrere Spulen 10 mit entsprechendem Wicklungssinn im Eisenkreis erzeugt wird. Der Kreis wird durch den Stator 3 sowie die zwei Rotoren 4 und 5 gebildet, die jeweils mit einer Seite der Wellen 1, 2 verbunden sind.
Wenn kein Strom durch die Spule (n) 10 fließt und dadurch der Eisenkreis in erster Näherung feldfrei ist, wird auch kein Moment zwischen den Wellen 1, 2 übertragen. Fließt jedoch ein geeigneter DC-Strom durch die Spule (n) 10, wird ein Gleichfeld erzeugt, was sich über die beiden Rotoren 4, 5 schließt.
Je nach Stellung der Zähne, (d. h. der Abschnitte 11 und 15) der Rotoren 4, 5 zueinander ändert sich der Luftspalt bzw. der magnetische Widerstand der Anordnung, wie aus den FIG 8 und 9 hervorgeht. Das Reluktanzprinzip sagt aus, dass eine solche Anordnung das Bestreben haben wird, den Luftspalt bzw. den magnetischen Widerstand möglichst klein zu halten, was z. B. in Reluktanzmotoren oder Magnetlagern technisch genutzt wird. Dies führt beispielsweise in der in FIG 8 dargestellten Stellung des ersten Rotors 4 gegenüber dem zweiten Rotor 5 dazu, das bei angelegtem Feld eine Kraft wirkt, die ein Drehmoment auf die Wellen 1, 2 ausübt, um korrespondierende Ro- torzähne bzw. -Abschnitte der beiden Rotoren 4, 5 in die gleiche Winkelposition zu drehen.
Wie bereits erwähnt wurde, kann die Anzahl der Zähne der Rotoren 4 und 5 auch anders als vier sein. Vorzugsweise besit- zen der äußere Rotor 4 und der innere Rotor 5 die gleiche Anzahl an Zähnen. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
Der Stator 3 hat mindestens eine magnetische Verbindung zwischen dem einen Ring 8 und dem anderen Ring 9 über einen Mag- neten. Es können aber auch mehrere Verbindungen realisiert sein, die dann jeweils vorzugsweise durch Elektromagneten gebildet werden. Es existiert kein Bezug zwischen der Anzahl der Zähne der Rotoren und der Anzahl von Verbindungen bzw. Magneten im Stator 3.
Alle Wicklungen werden zweckmäßigerweise vom gleichen Strom durchflössen und mit dem gleichen Wicklungssinn aufgebaut, damit sich die Felder addieren. Prinzipiell können die Wicklungen aber auch unterschiedlich angesteuert werden, um beispielsweise zusätzliche Kräfte zu kompensieren.
Die oben dargestellte Anordnung ergibt eine einfache, über einen Gleichstrom ansteuerbare magnetische Kupplung, die ohne rotierende Permanentmagneten auskommt. Dies stellt einen wesentlichen Kostenvorteil dar.
Darüber hinaus können der Stator und die Rotoren je nach geforderter Drehzahl aus Massivteilen aufgebaut werden. Gegebenenfalls müssen einige Komponenten wie etwa die Statorringe für höhere Drehzahlen geblecht ausgeführt werden.
Gegenüber Anordnungen mit rotierenden Permanentmagneten und einem schaltbaren Drehfeld ist der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, dass weder ein Umrichter noch Schleifkontakte zum Erzeugen eines rotierenden Wechselfelds notwendig sind. Ein einfach zu erzeugender Gleichstrom genügt.
Sollen die beiden Wellen entkoppelt werden, so müssen die Elektromagneten stromlos geschaltet werden. Um jedoch eine vollständige Entkoppelung zu erreichen, ist eine tatsächliche Feldfreiheit des Magnetkreises sicherzustellen. Dazu ist eine etwaige Remanenz gezielt durch geeignete Stromimpulse abzubauen. Bei den Stromimpulsen ist der Strom so zu richten, dass das Feld im Eisen umgekehrt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetische Reluktanzkupplung zum Kuppeln einer ersten Welle (1) mit einer zweiten Welle (2), gekennzeichnet durch - einem hohlzylindrischen Stator (3) mit einem oder mehreren Magneten (10, 16), der/die am Umfang des Stators angeordnet ist/sind,
einem ersten Rotor (4), der innerhalb des Stators (3) drehbeweglich gelagert ist, mit der ersten Welle (1) dreh- fest verbunden ist und mehrere an seinem Umfang verteilt angeordnete, voneinander getrennte, ferromagnetische erste Abschnitte (11) aufweist, und
einem zweiten Rotor (5) , der innerhalb des ersten Rotors (4) drehbeweglich gelagert ist, mit der zweiten Welle (2) drehfest verbunden ist und mehrere an seinem Umfang verteilt angeordnete ferromagnetische zweite Abschnitte (15) aufweist .
2. Magnetische Reluktanzkupplung nach Anspruch 1, wobei der Stator (3) zwei ferromagnetische Ringe aufweist (8, 9), die koaxial hintereinander angeordnet sind, und zwischen denen der oder die Magnete (10, 16) angeordnet sind.
3. Magnetische Reluktanzkupplung nach Anspruch 1 oder 2, wo- bei der oder die Magnete (10, 16) jeweils Elektromagnete sind .
4. Magnetische Reluktanzkupplung nach Anspruch 2 oder 3, wobei jeder der Elektromagnete einen ferromagnetischen Kern aufweist, der ein Verbindungsstück (16) zwischen den zwei ferromagnetischen Ringen (8, 9) darstellt, sodass zwischen den zwei ferromagnetischen Ringen eine lückenlose ferromagne- tische Verbindung besteht.
5. Magnetische Reluktanzkupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei jeder der ersten Abschnitte (11) des ersten Rotors (4) stabförmig ausgebildet ist und drei Unterabschnitte aufweist, wovon ein erster (12) und zweiter Unterabschnitt (13) aus ferromagnetischem Material bestehen und radial unterhalb der zwei ferromagnetischen Ringe (8, 9) angeordnet sind, und ein dritter Unterabschnitt (14) aus einem nicht magnetischen Material besteht und axial zwischen dem ersten und zweiten Unterabschnitt angeordnet ist.
6. Magnetische Reluktanzkupplung nach Anspruch 5, wobei der erste Rotor (4) ein scheibenförmiges Halteelement (7) aufweist, auf dessen einer Seite die erste Welle (1) und auf dessen gegenüberliegender, anderer Seite die ersten Abschnitte (11) befestigt sind.
7. Magnetische Reluktanzkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Rotor (5) die gleiche axiale Länge wie der erste Rotor (4) besitzt, und diese axiale Länge der axialen Länge des Stators (3) entspricht.
8. Magnetische Reluktanzkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Abschnitte (15) des zweiten Rotors (5) sternförmig um die Drehachse des zweiten Rotors (5) angeordnet sind.
9. Magnetische Reluktanzkupplung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei Wicklungen (10) der Elektromagnete des Stators (3) in Serie geschaltet sind.
10. Kupplungsanordnung mit der magnetischen Reluktanzkupplung nach einem der Ansprüche 3 bis 9 und einer Steuereinrichtung, mit der die magnetische Reluktanzkupplung so ansteuerbar ist, dass in einem Einkuppelzustand ein erstes Magnetfeld im ersten und zweiten Rotor (4, 5) in eine erste Richtung gerichtet ist, und unmittelbar nach Beenden des Einkuppelzustands durch Stromimpulse ein zweites magnetisches Feld in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung in dem ersten und zweiten Rotor zu deren Endmagnetisierung ausbildbar ist.
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