WO2015181239A2

WO2015181239A2 - Magnetkupplung

Info

Publication number: WO2015181239A2
Application number: PCT/EP2015/061719
Authority: WO
Inventors: Thomas Riemay; Rolf Müller
Original assignee: Mahle International Gmbh
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2015-12-03
Also published as: WO2015181239A3; DE102014210299A1; US20170271971A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnetkupplung (1), insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, mit einem Stator (5), der einen ersten Axialabschnitt (10a) umfasst, der entlang der einer axialen Richtung (A) in einen zweiten Axialabschnitt (10b) übergeht und relativ zum ersten Axialabschnitt (10a) entlang seiner Umfangsrichtung (U) verstellbar ist, mit einem ersten Rotor (2a), der relativ zum Stator (5) um eine entlang der axialen Richtung (A) verlaufende Rotationsachse (R) drehverstellbar ist, mit einem zweiten Rotor (2b), der konzentrisch zum ersten Rotor (2a) angeordnet ist und relativ zum Stator (5) um die Rotationsachse (R) drehverstellbar ist, wobei der erste Axialabschnitt (10a) des Stators (5) erste Axialabschnitt- Magnetelemente (11 a) umfasst, die entlang der Umfangsrichtung (U) des Stators (5) paarweise mit alternierender magnetischer Polarität angeordnet sind, und der zweite Axialabschnitt (10b) des Stators (5) zweite Axialabschnitt- Magnetelemente (11 b) umfasst, die entlang der Umfangsrichtung (U) des Stators (5) ebenfalls paarweise mit alternierender magnetischer Polarität angeordnet sind, wobei der erste und der zweite Rotor (2a, 2b) jeweils Rotor-Magnetelemente (8a, 8b) umfassen, die entlang einer Umfangsrichtung (U) des jeweiligen Rotors (2a, 2b) paarweise mit alternierender magnetischer Polarität angeordnet sind.

Description

Magnetkupplung

Die Erfindung betrifft eine Magnetkupplung sowie eine Vorrichtung zur Abwärme- nutzung mit einer solchen Magnetkupplung. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Abwärmenutzungsvorrichtung.

Vorrichtungen, die auf der berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen mit Hilfe der magnetischen Wechselwirkung basieren, werden gemeinhin als Magnetkupplungen bezeichnet. Solche Magnetkupplungen werden nach dem Stand der Technik eingesetzt, um Drehmomente berührungslos über einen Luftspalt hinweg und durch Wandungen, etwa von hermetisch geschlossenen Behältnissen, zu übertragen.

Herkömmliche Magnetkupplungen basieren auf demselben Wirkprinzip wie sogenannte Synchronmotoren. In einem Synchronmotor wird der Effekt der Drehmomentübertragung durch magnetische Wechselwirkung ausgenutzt, indem am Umfang eines Stators elektrisch bestrombare Wicklungen angeordnet werden, mit denen durch entsprechend wechselnde Bestromung ein in Umfangsrichtung wanderndes magnetisches Wechselfeld erzeugt werden kann. Damit kann ein Rotor "mitgeschleppt" werden. Von einem solchen Synchronmotoren unterscheidet sich eine Magnetkupplung im Wesentlichen nur dadurch, dass das rotierende magnetische Wechselfeld durch rotierende Rotor- oder Ringteile eines ersten Rotors mit in Umfangsrichtung benachbarten permanent-magnetisierten Elementen oder mag- netisierbaren Elementen erzeugt wird, und zwar auf der Eingangsseite des magnetischen Getriebes. Auf der Abtriebsseite ist der mit dem rotierenden magnetischen Wechselfeld zusammenwirkende zweite Rotor mit permanent- magnetisierten oder ferromagnetischen Elementen angebracht. Mittels der magnetischen Wechselwirkung der Magneten des ersten Rotors mit jenen des zweiten Rotors wird die gewünschte Drehmomentübertragung zwischen den beiden Rotoren vollzogen.

Am Stator können dabei auch Polstifte aus ferromagnetischem Material oder Magnete vorgesehen sein. Bei geeigneter Dimensionierung der Anzahl der Polstifte relativ zur Anzahl der Magnetelemente der beiden Rotoren bewirkt der Stator eine Modulation des vom antriebsseitigen Rotor erzeugten magnetischen Wechselfelds derart, dass das auf den abtriebsseitigen Rotor wirkende magnetische Wechselfeld für eine Rotation des zweiten Rotors mit einer Drehfrequenz sorgt, die kleiner ist als jene des antriebsseitigen Rotors. In diesem Fall folgt die Magnetkupplung dem Wirkprinzip eines magnetischen Getriebes.

Als nachteilig erweist sich bei herkömmlichen Magnetkupplungen indes, dass die zwischen den beiden Rotoren bestehende Antriebsverbindung typischerweise nicht im Sinne eines sogenannten Leer- oder Freilaufs unterbrochen werden kann. Dies wäre jedoch aus praktischen Erwägungen heraus für verschiedene Anwendungen gattungsgemäßer Magnetkupplungen, etwa wenn sie als magnetisches Getriebe in einer Abwärmenutzungseinrichtung eingesetzt werden soll, von erheblichem Nutzen sein.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine verbesserte Ausführungsform einer Magnetkupplung zu schaffen, bei welcher insbesondere die Antriebsverbindung zwischen den beiden Rotoren wahlweise ein- oder ausgeschaltet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Grundgedanke der Erfindung ist demnach, den Stator der Magnetkupplung entlang seiner axialen Richtung zweiteilig mit zwei Axialabschnitten auszubilden, so dass der erste Axialabschnitt in Drehrichtung des gesamten Stators relativ zum zweiten Axialabschnitt verstellbar ist. Da die beiden Axialabschnitte entlang der Umfangsrichtung des Stators abwechselnd mit Magnetelementen entgegengesetzter Polarität bestückt sind, können die Magnetelemente der beiden Axialabschnitte durch geeignete relative Verdrehung zueinander derart angeordnet werden, dass auch die beiden entlang der axialen Richtung benachbarte Magnetelemente des ersten und zweiten Axialabschnitts eine entgegengesetzte Polarität aufweisen.

In diesem Fall neutralisieren sich jedoch die von den Permanentmagneten der beiden Axialabschnitte erzeugten Magnetfelder nahezu oder sogar vollständig, so dass der Stator seine eigentliche Aufgabe, die Übertragung bzw. Modulation des vom antriebsseitigen Rotor erzeugten magnetischen Wechselfelds, nicht mehr zu erfüllen vermag. Dies hat zur Folge, dass zwischen den beiden Rotoren keine Drehmomentübertragung mehr stattfindet. Zwischen den beiden Rotoren besteht also keine Antriebsverbindung mehr, d.h. die Magnetkupplung befindet sich im Freilauf.

Durch ein Zurückverstellen der beiden Axialabschnitte derart, dass die entlang der axialen Richtung benachbarten Magnetelemente eine jeweils identische Polarität zeigen, wird dieser Zustand wieder aufgehoben und die gewünschte Antriebskupplung zwischen den beiden Rotoren wiederhergestellt.

Eine erfindungsgemäße Magnetkupplung umfasst einen Stator, der einen ersten Axialabschnitt aufweist, der entlang der einer axialen Richtung in einen zweiten Axialabschnitt übergeht und relativ zum ersten Axialabschnitt entlang seiner Umfangsrichtung verstellbar ist. Relativ zum Stator ist ein erster Rotor um eine sich entlang der axialen Richtung verlaufende Rotationsachse drehverstellbar. Kon- zentrisch zum ersten Rotor wiederum ist ein zweiter Rotor angeordnet. Auch der zweite Rotor ist relativ zum Stator um die Rotationsachse drehverstellbar. Der erste Axialabschnitt des Stators umfasst dabei erste Axialabschnitt-Magnetelemente, die paarweise entlang der Umfangsrichtung des Stators mit alternierender magnetischer Polarität angeordnet sind. In analoger Weise umfasst auch der zweite Axialabschnitt des Stators zweite Axialabschnitt-Magnetelemente, die ebenfalls paarweise entlang der Umfangsrichtung des Stators mit alternierender magnetischer Polarität angeordnet sind. Schließlich weisen auch der erste und der zweite Rotor jeweils Rotor-Magnetelemente auf, die paarweise entlang einer Umfangsrichtung des jeweiligen Rotors mit alternierender magnetischer Polarität angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform können die Rotor-Magnetelemente und die Axialabschnitt-Magnetelemente jeweils radial polarisiert sein. Dies bedeutet, dass der magnetische Nordpol eines Elements entweder radial innen und entsprechend der magnetische Südpol radial außen angeordnet ist oder umgekehrt. In Varianten sind aber auch andere Magnetisierungsarten vorstellbar, so etwa eine radiale oder laterale (Halbach-)Magnetisierung oder parallele Magnetisierung.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Rotoren und der Stator jeweils in einem entlang der axialen Achse gemessenen Querschnitt jeweils im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der zweite Axialabschnitt relativ zum ersten Axialabschnitt in Umfangsrichtung zwischen einer ersten und einer zweiten Position verstellbar sein. In der ersten Position des zweiten Axialabschnitts weisen entlang der axialen Richtung benachbarte Axialabschnitt-Magnetelemente des ersten und zweiten Axialabschnitts dieselbe Polarität auf. Sind die Axialabschnitt-Magnetelemente in radialer Richtung polarisiert, bedeutet dies, dass sowohl in den Axialabschnitt-Magnetelemente des ersten als auch des zweiten Axialabschnitts der magnetische Südpol radial innen und der magnetische Nordpol radial außen vorgesehen ist oder umgekehrt. In der ersten Position sind die von den Magneten des ersten und zweiten Axialabschnitts erzeugten Magnetfeldlinien - in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung betrachtet - daher nahezu oder vollständig identisch, d.h. der zweiteilige erste Rotor weist in der ersten Position des zweiten Axialabschnitts dieselben Eigenschaften auf, wie ein herkömmlicher, einteiliger Stator.

Demgegenüber weisen die entlang der axialen Richtung benachbarten Magnetelemente in der zweiten Position des zweiten Axialabschnitts zueinander entgegengesetzte Polaritäten auf. Dies führt dazu, dass sich die von den Magnetelementen der beiden Axialabschnitte erzeugten Magnetfeldlinien in der Art einer destruktiven Interferenz weitgehend oder sogar vollständig aufheben, so dass sich nur ein effektives Magnetfeld geringer Feldstärke auszubilden vermag. In der Folge ergibt sich auch nur eine Kopplung geringen Grades zwischen dem ersten Rotor und dem zweien Rotor ausbilden, was bedeutet, dass sich die Magnetkupplung im Freilauf befindet. Mit anderen Worten, die magnetische Antriebsverbindung zwischen den beiden Rotoren ist unterbrochen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann der zweite Axialabschnitt in eine Zwischenposition verstellbar sein, in welcher er sich zwischen der ersten und der zweiten Position befindet. Dies erlaubt es, die Stärke des von den Axialabschnitt- Magnetelementen des Stators erzeugten Magnetfelds zwischen einem Maximalwert, wenn sich der zweite Axialabschnitt in der ersten Position befindet, und einem Minimalwert, im Extremfall einem Null-Wert einzustellen, wenn der zweite Axialabschnitt sich in der zweiten Position befindet. Dies gestattet es, den Kopplungsgrad zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert - Letzterer kann im Extremfall ein Null-Wert sein - einzustellen. Hinsichtlich der radialen Anordnung des Stators und der beiden Rotoren relativ zueinander eröffnen sich für den Fachmann verschiedene konstruktive Optionen. In einer ersten Variante kann der erste Rotor als Innenrotor ausgebildet sein, der zweite Rotor als radial außen dazu diesem angeordneter Mittelrotor und der Stator als Außenstator, der radial außerhalb des Innenrotors und des Mittelrotors angeordnet ist. In einer dazu alternativen, zweiten Variante kann der erste Rotor als Außenrotor, der zweite Rotor als Innenrotor und der Stator als Mittelstator ausgebildet sein, der radial zwischen Außenrotor und Innenrotor angeordnet ist. In einer weiteren, dritten Alternative kann der erste Rotor schließlich als Mittelrotor, der zweite Rotor als Außenrotor und der Stator als Innenstator ausgebildet sein, der radial innerhalb des Mittelrotors und des Außenrotors angeordnet ist.

Auch bezügliche der konstruktiven Ausgestaltung der Rotor-Magnetelemente sind verschiedene Optionen möglich. Besonders zweckmäßig können diese als magnetische Polstifte aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet sein. Jeder der Polstifte erstreckt sich dabei entlang der axialen Richtung der Magnetkupplung, wobei die Polstifte bezüglich der Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind und in Umfangsrichtung benachbarte Polstifte eine entgegengesetzte Polarität aufweisen.

Für die Rotor-Magnetelemente des Außenrotors - für den Fall, dass der Stator ein Innenstator ist - bzw. für die Axialabschnitt-Magnetelemente des Außenstators wird in einer fertigungstechnisch besonders einfach zu realisierenden Ausführungsform vorgeschlagen, diese als radial polarisierte Permanentmagnete auszubilden. Die Permanentmagnete sind paarweise mit in Umfangsrichtung alternierender Polarität angeordnet, derart, dass entlang der Umfangsrichtung jeweils ein magnetischer Südpol auf einen magnetischen Nordpol folgt. In alternativen Ausführungsformen können auch andere Magnetisierungsarten, so etwa eine parallele oder laterale Magnetisierung gewählt werden. In analoger Weise empfiehlt es sich auch für die Rotor-Magnetelemente des Innenrotors - für den Fall, dass der Stator ein Außenstator ist - bzw. für die Axialabschnitt-Magnetelemente des Innenstators, diese als radial magnetisierte Permanentmagnete zu realisieren. Auch die Permanentmagnete des Innenrotors bzw. Innenstators sind paarweise mit in Umfangsrichtung alternierender Polarität angeordnet, so dass entlang der Umfangsrichtung jeweils ein magnetischer Südpol auf einen magnetischen Nordpol folgt.

Besonders zweckmäßig kann die Magnetkupplung in der Art eines Magnetgetriebes ausgebildet sein. Soll die Magnetkupplung als magnetisches Getriebe in einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung zum Einsatz kommen, so wird vorgeschlagen, das Magnetgetriebe derart auszubilden, dass es die Drehzahl des ersten Rotors ins Langsame übersetzt.

Zur technischen Realisierung besagten Magnetgetriebes, welches eine Drehzahl des ersten Rotors ins Langsame untersetzt, wird vorgeschlagen, die Anzahl der Rotor-Magnetelemente der beiden Rotoren und die Anzahl an Polstiften derart festzulegen, dass die Summe der Polstifte gleich der Summe der Zahl der Polpaare der Rotor-Magnetelemente des ersten Rotors und der Zahl der Polpaare der Rotor-Magnetelemente des zweiten Rotors entspricht.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung, insbesondere der Abwärme einer Abgasanlage bei Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung um- fasst eine von einem mittels der Abwärme erhitzbaren Fluid angetriebene Hochdrehzahlturbine, die in einem gegen Fluidverlust durch eine hermetisch dichte Abtrennung abgesperrten Bereich angeordnet und abtriebsseitig berührungsfrei mit einer zur Nutzung der Turbinenarbeit vorgesehenen Einrichtung außerhalb der Abtrennung antriebsgekoppelt ist. Als Anordnung zur Antriebskopplung dient eine Magnetkupplung mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale und mit einer im abgesperrten Bereich vorgesehenen Antriebswelle, die drehfest mit dem zweiten Rotor verbunden ist. Außerhalb der Abtrennung ist eine Abtriebswelle vorgesehen, die wiederum drehfest mit dem ersten Rotor verbunden ist.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Magnetkupplung in einer Explosionsdarstellung

Fig. 2 die Magnetkupplung der Figur 1 in einem nicht-montierten Zustand

Fig. 3 die Magnetkupplung der Figur 1 in einem montierten Zustand Fig. 4/5 die beiden erfindungswesentlichen, zueinander verstellbaren Axialabschnitte des Stators der Magnetkupplung in einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung A in unterschiedlichen Positionen,

Fig. 6-1 1 verschiedene konstruktive Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Magnetkupplung,

Fig. 12 die erfindungsgemäße Magnetkupplung als Teil einer Abwärmenutzungseinrichtung.

Figur 1 illustriert ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Magnetkupplung 1 in einer Explosionsdarstellung. Figur 2 zeigt dieselbe Magnetkupplung 1 in einem nicht-montierten Zustand, die Figur 3 in einem montierten Zustand.

Wie die Figuren 1 bis 3 erkennen lassen, umfasst die Magnetkupplung 1 einen Stator 5, einen als Außenrotor 3 konzipierten ersten Rotor 2a sowie einen als Innenrotor 4 ausgebildeten zweiten Rotor 2b. Die beiden Rotoren 2a, 2b sind um eine gemeinsame Rotationsachse R drehverstellbar. In einem orthogonal zur Rotationsachse R definierten Querschnitt besitzen beide Rotoren 2a, 2b ebenso wie der Stator 5 eine ringförmige Geometrie. Der Außenrotor 4 umfasst dabei einen Mantel 6 aus einem magnetisierbaren Material. Der Außenrotor 4 ist ferner mit Rotor-Magnetelementen 8 ausgestattet, die vorliegend in Form von radial magneti- sierten Permanentmagneten 8a (vgl. Fig. 2) gestaltet sind, die am Innenumfang des Mantels 6 befestigt sind, und zwar entlang einer Umfangsrichtung U des Außenrotors 4 mit alternierender radialen Polarität. Entlang der Umfangsrichtung U wechselt sich also ein magnetischer Südpol mit einem magnetischen Nordpol ab. Der Innenrotor 3 verfügt über einen Körper in Form einer Welle 13, auf deren Außenumfang in analoger Weise zum Außenrotor 4 Rotor-Magnetelemente 8 ebenfalls in Form von radial magnetisierten Permanentmagneten 8b vorgesehen sind. Auch die radiale Polarität der Permanentmagnete 8b alterniert entlang der Um- fangsrichtung U. In Varianten des Beispiels kann für die Rotor-Magnetelemente 8 anstelle einer radialen Magnetisierung auch eine laterale oder parallele Magnetisierung gewählt werden. Die Permanentmagnete 8a, 8b können aus einem ferromagnetischen Material wie Eisen, Kobalt oder Nickel hergestellt sein.

Als erfindungswesentlich erweist sich eine Aufteilung des Stators 5, der im Beispielszenario in Form einer hohlzylindrischen Zwischenwand 9 ausgebildet ist, in einen bezüglich einer axialen Richtung A der Magnetkupplung 1 ersten und zweiten Axialabschnitt 10a, 10b, wobei sich die axiale Richtung A parallel zur Rotationsachse R erstreckt. Mit anderen Worten, zur Ausbildung der beiden Axialabschnitte 10a, 10b ist die Zwischenwand 9 entlang der axialen Richtung A zweiteilig ausgebildet. Essentiell ist in diesem Zusammenhang die Verstellbarkeit der beiden Axialabschnitte 10a, 10b zueinander entlang der Umfangsrichtung U. Eine solche Verstellbarkeit ist zur Verdeutlichung anhand der separaten, grobschematischen Darstellung der Figur 4 illustriert.

Zunächst sei jedoch nochmals auf Figur 1 verwiesen, welche zeigt, dass sowohl am ersten als auch zweiten Axialabschnitt 10a, 10b Magnetelemente vorgesehen sind, die im Folgenden als erste bzw. zweite Axialabschnitt-Magnetelemente 1 1 a, 1 1 b bezeichnet werden. Sie sind jeweils in Form von sich entlang der axialen Richtung erstreckenden Polstiften 12a, 12b aus einem ferromagnetischen Material realisiert, deren radiale Polarität wie jene der Permanentmagnete 8a, 8b in Umfangsrichtung U alterniert, bewirkt eine Verdrehung der beiden Axialabschnitte 10a, 10b zueinander eine Veränderung der radialen Polarität der in Axialrichtung benachbarten Polstifte 12a, 12b des ersten und zweiten Axialabschnitts 10a, 10b. In Varianten des Beispiels kann anstelle einer radialen Magnetisierung auch eine andere Magnetisierungsart, etwa eine parallele oder laterale (Halbach) Magnetisierung gewählt werden. Betrachtet man nun die Darstellung der Figur 4, so erkennt man, dass der erste Axialabschnitt 10a des Stators 5 der Magnetkupplung 1 ortsfest angeordnet ist, wohingegen der zweite Axialabschnitt 10b relativ zum ersten Axialabschnitt 10a in Umfangsrichtung U zwischen einer ersten und einer zweiten Position verstellbar ist. Die Figur 4 zeigt den zweiten Axialabschnitt 10b in der ersten Position, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei in axialer Richtung A benachbarte Axialabschnitt-Permanentmagnete 1 1 a des ersten und zweiten Axialabschnitts 10a, 10b dieselbe Polarität besitzen. Einem Polstift 12a des ersten Axialabschnitts 10a mit einem magnetischen Nordpol N radial innen und einem magnetischen Südpol S radial außen folgt also entlang der axialen Richtung A im zweiten Axialabschnitt 10b ein Polstift 12b, dessen magnetischer Nordpol N ebenfalls radial innen angeordnet ist und nach radial außen in einen magnetischen Südpol S übergeht. Gleiches gilt für einen Polstift 12a mit einem magnetischen Nordpol N radial außen und einem magnetischen Südpol S radial innen; auch der diesem Polstift 12a in axialer Richtung benachbarte Polstift 12b besitzt dann radial außen einen magnetischen Nordpol und radial innen einen magnetischen Südpol N. Die Konfiguration des Stators 5 mit dem zweiten Axialabschnitt 10b in seiner ersten Position entspricht also der Konfiguration eines herkömmlichen Stators.

Rotiert der Innenrotor 3 mit den Permanentmagneten 8b in Umfangsrichtung U, so werden die von den Permanentmagneten 8b erzeugten Magnetfelder durch die Polstifte 12a, 12b auf der feststehenden Zwischenwand 9 moduliert, mit der Folge, dass der Außenrotor 4 und dementsprechend der Mantel 6 mit den Permanentmagneten 8a entgegen der Umfangsrichtung U rotiert. Die Magnetkupplung arbeitet in diesem Fall nominell. Durch geeignete Festlegung der Anzahl an Permanentmagneten 8a am Außenrotor 4 und der Anzahl an Permanentmagneten 8b am Innenrotor 3 relativ zur Anzahl an Polstiften 12a bzw. 12b kann dabei eine Untersetzung der Drehzahl des Außenrotors 4 auf den Innenrotor 3 erreicht werden, so dass die Magnetkupplung 1 zusätzlich als magnetisches Getriebe wirkt. Figur 5 zeigt den zweiten Axialabschnitt 10b in seiner zweiten Position, in welche er ausgehend von seiner in Figur 4 dargestellten ersten Position durch Drehung entlang der Umfangsrichtung U verstellt wurde. Diese Verstellung mag dabei in oder entgegen der Umfangsrichtung U erfolgen. Die gemäß Figur 5 erfolgte Verstellung des zweiten Axialabschnitts 10a von der ersten in die zweite Position hat zur Folge, dass die radiale Polarität in axialer Richtung A benachbarter Axialabschnitt-Magnetelemente 1 1 a, 1 1 b, also der Polstifte 12a, 12b wechselt. Mit anderen Worten, auf einen Polstift 12a mit der Polarität eines Nordpols N radial außen und eines Südpols S radial innen folgt in axialer Richtung A ein Polstift 12b mit der Polarität eines Südpols S radial innen und eines Nordpols N radial außen und umgekehrt. Somit neutralisieren sich jedoch die von den Polstiften 12a, 12b der beiden Axialabschnitte 10a, 10b erzeugten Magnetfelder nahezu oder sogar vollständig. In der Folge wird keine Übertragung bzw. Modulation des vom ersten Rotor 2a erzeugten magnetischen Wechselfelds auf den zweiten Rotor 2b oder umgekehrt mehr bewirkt. Dies bedeutet, dass zwischen den beiden Rotoren 2a, 2b keine Drehmomentübertragung mehr stattfindet.

Befindet sich der zweite Axialabschnitt 10b in der zweiten Position, so besteht den beiden Rotoren 2a, 2b also keine Antriebsverbindung mehr und die Magnetkupplung 1 befindet sich im Freilauf. Durch ein Zurückverstellen des zweiten Axialabschnitts 10a in die erste Position derart, dass die entlang der axialen Richtung benachbarten Polstifte 12a, 12b eine jeweils identische Polarität zeigen, wird dieser Zustand wieder aufgehoben. Die Antriebskupplung zwischen Außen- und Innenrotor 4, 3 ist dann wiederhergestellt.

In den Figuren 4 und 5 nicht dargestellt sind mögliche Verstell-Zwischenpositionen des zweiten Axialabschnitts 10 zwischen der ersten und der zweiten Position. Ein Positionieren in einer solchen Zwischenposition erlaubt es, die Stärke des von den Axialabschnitt-Magnetelementen 1 1 a, 1 1 b des Stators 5 erzeugten Magnetfelds zwischen einem Maximalwert, wenn sich der zweite Axialabschnitt 10b in der ers- ten Position befindet, und einem Minimalwert, im Extremfall einem Nullwert, zu variieren. In letzterem Fall befindet sich der zweite Axialabschnitt 10b wie bereits erörtert in seiner zweiten Position.

Im Ergebnis verleiht die Einstellbarkeit des zweiten Axialabschnitts 10b in eine Zwischenposition der Magnetkupplung die Eigenschaft, den Kopplungsgrad zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor 2a, 2b zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert einstellen zu können. Ist der Minimalwert gleichzeitig ein Nullwert, d.h. liegt keine Kopplung vor, so befindet sich die Magnetkupplung 1 im Freilauf.

Das erfindungswesentliche Wirkprinzip eines zweiteilig-verstellbaren Stators lässt sich ohne weiteres auf andere konstruktive Ausgestaltungsformen der Magnetkupplung 1 , etwa mit einem Außenstator oder einem Innenstator anstelle des oben beschriebenen Mittelstators übertragen. Im vorangehenden Beispiel bedeutet dies, dass im Falle eines Außenstators dieser in einen ersten und einen verstellbaren zweiten Axialabschnitt unterteilt ist.

Auch lässt sich die anhand der Figuren 1 bis 5 erläuterte Magnetkupplung 1 mit Permanentmagneten 8a, 8b am Mantel 6 und auf der Welle 13 des Außen- bzw. Innenrotors 4, 3 sowie mit Polstiften 12a, 12b auf der Zwischenwand 9 auf andere konstruktive Ausgestaltungsformen der Magnetkupplung 1 übertragen.

Zur Verdeutlichung illustriert die Figur 6 die in den Figuren 1 bis 5 gezeigte Konfiguration in einem Querschnitt, der durch eine orthogonal zur axialen Achse angeordnete und axial im Bereich des ersten Axialabschnitts 10a liegenden Ebene definiert ist. Die Zahl der durch die Permanentmagnete 8a gebildeten Polpaare wird nachfolgend als a bezeichnet, die Zahl der von den Permanentmagneten 8b gebildeten magnetischen Polpaare als i. Im dargestellten Beispiel ist a = 12 und i = 2. Für die Anzahl p der Polstifte 12a gilt p = a+i, d.h. im dargestellten Beispiel sind 14 Polstifte 12a vorhanden.

Ausgehend von diesem Ausführungsbeispiel sind in den Figuren 7 bis 1 1 konstruktive Abwandlungen gezeigt, welchen allen das erfindungswesentliche Prinzip eines zweiteiligen Stators - sei es eines Außen-, Mittel oder Innenstators - mit in Umfangsrichtung U zueinander relativ-verstellbaren Axialabschnitten 10a, 10b gemein ist.

So zeigt die Figur 7 eine Variante des Beispiels der Figur 6, bei welcher die Polstifte 12a auf der Zwischenwand 9 miteinander durch einen Mantel 14 aus ferro- magnetischem Material jochartig verbunden sind. Die Funktionalität dieses Beispiels entspricht jener der Figur 6.

Im Beispiel der Figur 8 sind die Polstifte 12a in Form einer Außenverzahnung auf einem Mantel 15 aus ferromagnetischem Material angeordnet, wobei dieser Mantel 15 auf der Zwischenwand 9 angeordnet ist.

Im Beispielszenario der Fig. 9 ist der Außenrotor 4 mit den Rotor-Magnetelementen 8, 8a analog zum Beispiel der Figur 6 ausgebildet. Gleiches gilt für die Zwischenwand 9 mit den Polstiften 12a. Demgegenüber besitzt der Innenrotor 3 im Szenario der Figur 9 abweichend von den bislang erläuterten Beispielen 5einen aus ferromagnetischem Material bestehenden Körper mit nach radial außen weisenden Zähnen 16 und in Umfangsrichtung U dazwischen angeordneten Zahnlücken 17, wobei die Zähne und Zahnlücken in Umfangsrichtung etwa gleiche Breiten aufweisen können, die im Beispiel der Figur 6 durch die Permanentmagnete 8a mit entgegengesetzter radialer Magnetisierung gebildet werden. Bei Drehung des Innenrotors 3 dreht der Außenrotor 4 des Beispiels der Fig. 9 in entgegengesetzter Richtung. Das Beispiel der Figur 10 unterscheidet sich von jenem der Figur 6 darin, dass der Außenrotor 4 aus einem Mantel 18 aus ferromagnetischem Material sowie daran innenseitig angeformten, nach radial einwärts gerichteten Zähnen 19 aus ferromagnetischem Material gebildet wird.

Die Ausführungsform der Fig. 1 1 besitzt einerseits einen Innenrotor 3 entsprechend dem Beispiel der Fig. 9 und andererseits einen Außenrotor 4 gemäß dem Beispiel der Fig. 10. Im Unterschied zu allen vorangehend erörterten Beispielen sind auf der Zwischenwand 9 Permanentmagnete 20 angeordnet, die jeweils in radialer Richtung magnetisiert sind, wobei benachbarte Permanentmagnete 20 eine entgegengesetzte Magnetisierung aufweisen.

Die Figur 1 1 zeigt eine Variante, bei welcher permanent-magnetisierte Elemente ausschließlich auf der Zwischenwand 9 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 20 können in ein nicht-magnetisierbares Kunststoffmaterial, welches an der Zwischenwand 9 vorgesehen werden kann, eingebettet sein.

Figur 12 zeigt schließlich ein Anwendungsbeispiel der Magnetkupplung 1 in Form eines magnetischen Getriebes als Teil einer Vorrichtung 21 zur Abwärmenutzung, insbesondere der Abwärme einer Abgasanlage bei Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung 21 umfasst eine von der Abwärme eines erhitzten Fluids angetriebene Hochdrehzahlturbine. Diese ist in einem gegen Fluidverlust durch eine hermetisch dichte Abtrennung 22 abgesperrten Bereich 23 angeordnet und abtriebsseitig berührungsfrei mit einer zur Nutzung der Turbinenarbeit vorgesehenen Einrichtung 24 außerhalb der Abtrennung 22 antriebsgekoppelt. Die im Zusammenhang mit den Figuren 6 bis 1 1 erläuterte Zwischenwand 9 der Magnetkupplung 1 kann dabei Teil der Abtrennung 22 sein.

Als Anordnung zur Antriebskopplung dient die Magnetkupplung 1 mit einer im abgesperrten Bereich vorgesehenen Antriebswelle 25, die drehfest mit dem zweiten Rotor 2b verbunden ist. Außerhalb der Abtrennung ist eine Abtriebswelle 26 vorgesehen, die wiederum mit dem ersten Rotor 2a drehfest verbunden ist.

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Claims

Ansprüche

1 . Magnetkupplung (1 ), insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, mit einem Stator (5), der einen ersten Axialabschnitt (10a) umfasst, der entlang der einer axialen Richtung (A) in einen zweiten Axialabschnitt (10b) übergeht und relativ zum ersten Axialabschnitt (10a) entlang seiner Umfangsrich- tung (U) verstellbar ist,

mit einem ersten Rotor (2a), der relativ zum Stator (5) um eine entlang der axialen Richtung (A) verlaufende Rotationsachse (R) drehverstellbar ist, mit einem zweiten Rotor (2b), der konzentrisch zum ersten Rotor (2a) angeordnet ist und relativ zum Stator (5) um die Rotationsachse (R) drehverstellbar ist,

wobei der erste Axialabschnitt (10a) des Stators (5) erste Axialabschnitt- Magnetelemente (1 1 a) umfasst, die entlang der Umfangsrichtung (U) des Stators (5) paarweise mit alternierender magnetischer Polarität angeordnet sind, und der zweite Axialabschnitt (10b) des Stators (5) zweite Axialabschnitt- Magnetelemente (1 1 b) umfasst, die entlang der Umfangsrichtung (U) des Stators (5) ebenfalls paarweise mit alternierender magnetischer Polarität angeordnet sind,

wobei der erste und der zweite Rotor (2a, 2b) jeweils Rotor-Magnetelemente (8a, 8b) umfassen, die entlang einer Umfangsrichtung (U) des jeweiligen Rotors (2a, 2b) paarweise mit alternierender magnetischer Polarität angeordnet sind.

2. Magnetkupplung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

die Rotor-Magnetelemente (8a, 8b) und/oder die Axialabschnitt- Magnetelemente (1 1 a, 1 1 b) eine radiale oder laterale oder parallele Magnetisierung aufweisen.

3. Magnetkupplung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der erste und der zweite Rotor (2a, 2b) und der Stator (5) in einem entlang der axialen Achse (A) definierten Querschnitt jeweils im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und konzentrisch zur Rotationsachse (R) angeordnet sind.

4. Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

der zweite Axialabschnitt (1 Ob) relativ zum ersten Axialabschnitt (10a) in Um- fangsrichtung (U) zwischen einer ersten und einer zweiten Position verstellbar ist,

in der ersten Position des zweiten Axialabschnitts (10b) bezüglich der axialen Richtung (A) benachbarte Axialabschnitt-Magnetelemente (1 1 a, 1 1 b) des ersten und zweiten Axialabschnitts (10a, 10b) dieselbe Polarität aufweisen und in der zweiten Position des zweiten Axialabschnitts (10b) zueinander entgegengesetzte Polaritäten aufweisen.

5. Magnetkupplung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

der zweite Axialabschnitt (10b) in eine Zwischenposition verstellbar ist, in welcher er sich der zwischen der ersten und der zweiten Position befindet.

6. Magnetkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor als Innenrotor und der zweite Rotor als Mittelrotor und der Stator als Außenstator ausgebildet ist, der radial außerhalb des Innenrotors und des Mittelrotors angeordnet ist, oder dass

der erste Rotor (2a) als Außenrotor (4) und der zweite Rotor (2b) als Innenrotor (3) und der Stator (5) als Mittelstator (7), der radial zwischen Außenrotor (4) und Innenrotor (3) angeordnet ist, ausgebildet ist, oder dass

der erste Rotor als Mittelrotor und der zweite Rotor als Außenrotor und der Stator als Innenstator, der radial innerhalb des Mittelrotors und des Außenrotors angeordnet ist, ausgebildet ist.

7. Magnetkupplung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Rotor-Magnetelemente des Mittelrotors oder die beiden Axialabschnitt- Magnetelemente (1 1 a, 1 1 b) des Mittelstators (7) sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende und entlang der Umfangsrichtung (U) im Abstand zueinander angeordnete Polstifte (12a, 12b) aus einem ferromagnetischen Material aufweisen, wobei entlang der Umfangsrichtung (U) benachbarte Polstifte (12a, 12b) eine zueinander entgegengesetzte Polarität aufweisen.

8. Magnetkupplung nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Rotor-Magnetelemente (8a, 8b) des Außenrotors (4) oder die Axialabschnitt-Magnetelemente des Außenstators als, insbesondere radial magneti- sierte, Permanentmagnete ausgebildet sind, die mit in Umfangsrichtung (U) alternierender Polarität paarweise angeordnet sind, und/ oder dass

die Rotor-Magnetelemente des Innenrotors oder die Axialabschnitt- Magnetelemente des Innenstators als, insbesondere radial magnetisierte, Permanentmagnete ausgebildet sind, die mit in Umfangsrichtung alternierender Polarität paarweise angeordnet sind.

9. Magnetkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Magnetkupplung (1 ) als Magnetgetriebe ausgebildet ist.

10. Magnetkupplung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Magnetgetriebe die Drehzahl des ersten Rotors (2a) ins Langsame übersetzt.

1 1 . Vorrichtung zur Abwärmenutzung, insbesondere der Abwärme einer Abgasanlage bei Nutzfahrzeugen,

mit einer von einem mittels der Abwärme erhitzbaren Fluid angetriebenen Hochdrehzahlturbine, die in einem gegen Fluidverlust durch eine hermetisch dichte Abtrennung (22) abgesperrten Bereich (23) angeordnet und abtriebsseitig berührungsfrei mit einer zur Nutzung der Turbinenarbeit vorgesehenen Einrichtung (24) außerhalb der Abtrennung (22) antriebsgekoppelt ist,

wobei als Anordnung zur Antriebskopplung eine Magnetkupplung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist,

wobei eine im abgesperrten Bereich vorgesehene Antriebswelle (25) drehfest mit dem zweiten Rotor (2b) verbunden ist und abtriebsseitig eine Abtriebswelle (26) vorgesehen ist, die drehfest mit dem ersten Rotor (2a) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Zwischenwand (9) Teil der Abtrennung ist.

13. Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach Anspruch 1 1 oder 12.

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