WO2017162243A1 - Antriebseinheit - Google Patents

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Harald Buchalla
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Hanning Elektro-Werke Gmbh & Co. Kg
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    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
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    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B2321/002—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
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    • H02K21/22—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating around the armatures, e.g. flywheel magnetos

Definitions

  • the invention relates to an electric drive for units that work with the effect of magnetocalorics as heat pumps.
  • Sealing elements correlated to the rotational movements within the assembly are claimed, common.
  • fluid-filled subareas are now only arranged in such a way that no or only few moving seals are needed. This is achieved, for example, by a rotating magnetic field around fixed magnetocaloric materials, which - correlated with the magnetic field - are traversed or flowed through by heat transfer fluids.
  • the rotational frequency of the external drive induced rotational movement in the aggregates must be low (e.g., between 0.5Hz and 20Hz, preferably between 1Hz and 10Hz).
  • These external drives can be formed by a combination of significantly faster running, usually cylindrical electric motors and a reduction gear.
  • Significantly more compact, quiet, low-maintenance and energy-efficient is the use of a disk-shaped, slow-running engine.
  • the engine can be designed, for example, as a high-pole Axialpoundmotor. It is designed as a synchronous motor and comprises a stator and a rotor. A torque and thus the rotational movement is created by applying a
  • the torque can be taken from the shaft.
  • the motor in the form of a symmetrical (double-sided) built
  • the object of the present invention is to further develop an electric drive for the device described and its advantageous
  • Vernier principle in which an air gap between the rotor and the stator is radially oriented.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the embodiment of FIG. 1 in an axial view
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a second embodiment of the invention.
  • Fig. 5 is a schematic diagram of a fourth embodiment of the invention.
  • Fig. 6 is a schematic diagram of a fifth embodiment of the invention.
  • a fixed magnetocaloric material 1 is subjected to a low-frequency alternating magnetic field for a drive unit according to the invention. This is preferably done by rotating a magnetic field generator about an axis 5.
  • this field generator consists of permanent magnets 2, elements 3 for guiding the magnetic flux and air gaps.
  • the magnetocaloric material is then placed in the air gaps. It is technically and economically advantageous to drive the existing, not shown pumping elements and the magnetic field generator via the axis 5 together.
  • the electric drive of the arrangement according to the invention is designed in the manner of a Venier engine or external motor. He provides a radial air gap 4.
  • the rotor comprises a disc-shaped, used as a back 6 element and thereto an annular adapter or collar set individual permanent magnets 7.
  • the stator 8 is fixed to the housing 9 fixed. The windings of the stator 8 are contacted with a printed circuit board 1 1.
  • Geometry ratios provided a high torque and operated the magnetocaloric arrangement efficiently. Is essential to the invention in that a ratio of the diameter D1 of the rotor of the electric drive and the diameter D2 of the element 3 for guiding the magnetic flux in the range of 0.8 to 1, 2 is located.
  • the rotor of the electric drive and the magnetic field guiding element of the magnetocaloric arrangement thus have a substantially identical diameter.
  • a main aspect of this invention further consists in using components of the magnetic field generator for a particularly suitable drive motor or to fuse these together. That can for example be done that - as shown in Fig. 1 and 2 - the element 3 for guiding the magnetic flux of the magnetic field generator with the back 6 of the rotor of the (vernier) external rotor motor are connected or formed on one side. This rotor carries on the inside the necessary for the motor function active magnetic material. 7
  • Magnet generator and the back 6 of the rotor of the (vernier) external rotor motor consist of a part, see Fig. 4. This part then takes over the
  • magnetocaloric part and, to a lesser extent, also for the electromotive drive).
  • This common part must then be expressed in such a way that it can carry both parts of the magnetic flux without getting into magnetic saturation. This can be achieved by suitable choice of material and correspondingly designed component cross-sections.
  • the magnetic flux for the motor function in the collar or the annular adapter.
  • the rotor itself may be formed in one piece.
  • the rear side 6 and the collar or the annular adapter, on which the permanent magnets 7 are fixed be made separately.
  • FIGS. 5 and 6 embodiments of the invention Magnetocaloric components of the unit on the one hand and provided for supporting the shaft bearing on the other hand are shown in FIGS. 5 and 6 embodiments of the invention, in which the bearing for the shaft 5 between the magnetocaloric components of the unit on the one hand and the electric drive on the other hand are arranged ,
  • the stator is nevertheless firmly connected to the housing 9 of the unit and electrically contacted and controlled by the fixed in the housing 9 board.
  • the stator is fixed to a housing cover 13 of the unit according to the invention.
  • the board is fixed to the housing cover 13.
  • the arrangement and design of the motor drive according to the invention has the advantage of a very good integrability in the unit at the same time smallest possible increase of the construction volume of the aggregate.
  • the use of external rotor motors uses optimally in the embodiments of FIGS. 1 and 2 and 4, the diameter of the units for torque generation. Nevertheless, a diameter difference in the region according to the invention can also be formed here, as is the case in the embodiment according to FIGS. 3 and 5 and 6.
  • the spatial position of the stator 8 of the motor via the housing 9 and the rolling bearing 10 is defined without having to generate a tolerance chain via a separation in the housing 9 or having to guide the torque flow of the motor via this housing separation .
  • the illustrated external rotor motor is by suitable arrangement of the magnets on the rotor and by the division of the stator lamination on the back side facing the magnet 6 (flow collector) in several micro-teeth to the engine according to the vernier principle.
  • the coils of the stator 8 can be connected directly to a printed circuit board 11, with which the interconnection of the coil can be realized and which can also carry a necessary for driving the motor electronics.
  • an optionally necessary sensor 12 for detecting the axial position can be accommodated together with this electronics on a common printed circuit board.
  • FIGS. 5 and 6 furthermore have the advantage of a simpler assembly or the corresponding serviceability.
  • Embodiment of FIG. 6 also has the advantage of a logistical separation of the unit to stator and electronics. These can be delivered already mounted in the housing cover 13 and be connected by simply placing etc. on the housing 9 with the unit.
  • stator windings are not directly with the board 11 must be contacted.
  • the circuit board 11 may be fixed to the housing 9, the housing cover 13 or another stationary component.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb für Aggregate, die mit dem Effekt der "Magnetokalorik" als Wärmepumpen arbeiten. Der elektrische Antrieb ist hierbei als ein nach dem Vernier-Prinzip arbeitender Elektromotor ausgebildet.

Description

Antriebseinheit
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb für Aggregate, die mit dem Effekt der Magnetokalorik als Wärmepumpen arbeiten.
Aggregate, die mit dem Effekt der "Magnetokalorik" als Wärmepumpen arbeiten, sind seit vielen Jahrzehnten bekannt. In diesen Aggregaten werden Stoffe, die diesen Effekt aufweisen, periodisch einem Magnetfeld ausgesetzt und damit deren spezifische Wärmekapazität (Wärmespeicherfähigkeit) geändert. Mittels zu- und abgeführter Medien (Fluide: Gase, Flüssigkeiten) kann den Aggregaten Wärmeenergie zugeführt, auf ein anderes Temperaturniveau transformiert und wieder abgeführt werden.
In erster Generation wurden derartige Aggregate dergestalt aufgebaut, dass das magnetokalorisches Material per Linearbewegung in ein Magnetfeld eingebracht beziehungsweise wieder daraus entfernt wurden. Die zweite Generation nutzt bereits rotierende Bewegungsformen, es sind aber noch Anordnungen, bei denen
Dichtungselemente korrelierend zu den rotatorischen Bewegungen innerhalb der Anordnung beansprucht werden, üblich. In der aktuellen dritten Generation werden nun fluidgefüllte Teilbereiche nur noch dergestalt angeordnet, dass keine oder nur noch wenige bewegte Dichtungen nötig sind. Erreicht wird das zum Beispiel durch ein rotierendes Magnetfeld um feststehende magnetokalorische Materialien, die - korreliert mit dem Magnetfeld - von Wärmetransportfluiden durch- oder umflossen werden.
Den Anordnungen der zweiten und dritten Generation ist gemeinsam, dass sie im weitaus überwiegenden Fall koaxial um eine gemeinsame Mittelachse aufgebaut sind. Aus Folgerungen zur Optimierungen des Bauraums und der Wirtschaftlichkeit ist es dabei naheliegend, dass der (mechanische) Antrieb der Anordnungen über diese gemeinsame Mittelachse erfolgt. Die EP 2 345 093 B1 benennt eben diesen Umstand und erwähnt sogar die Nutzung eines "spezifischen gemeinsamen Antriebs", ohne diesen dann aber näher zu spezifizieren. Ähnliche Anmerkungen finden sich in EP 2 340 571 B1 und EP 2 223 022 B1.
In WO 2014/187447 A1 wird ein Aggregat gezeigt, dem ein Medium mit einer ersten Temperatur zugeführt wird und von dem ein Medium mit einer zweiten Temperatur abgeführt wird. Um den Effekt der Temperaturtransformation zu erzeugen wird derartigen Aggregaten wie oben beschrieben vorzugsweise rotatorische Energie zugeführt. Durch die verhältnismäßig großen Wärmezeitkonstanten der in den
Aggregaten verwendeten Komponenten muss die Drehfrequenz der durch externe Antriebe induzierten Drehbewegung in den Aggregaten gering sein (z.B. zwischen 0,5Hz und 20Hz, bevorzugt zwischen 1 Hz und 10Hz). Diese externen Antriebe können durch eine Kombination aus deutlich schneller laufenden, meistens zylinderförmig ausgeprägten Elektromotoren und einem Reduziergetriebe gebildet werden. Deutlich kompakter, leiser, wartungsarmer und energieeffizienter ist die Nutzung eines scheibenförmig ausgeprägten, langsam laufenden Motors.
Der Motor kann dabei beispielsweise als hochpoliger Axialflussmotor ausgebildet sein. Er ist als Synchronmotor ausgebildet und umfasst einem Stator und einem Rotor. Ein Drehmoment und damit die rotatorische Bewegung wird durch Anlegen eines
Drehfeldes an den Spulen über die auf dem Rotor befestigten Permanentmagnete erzeugt. Das Drehmoment kann über die Welle entnommen werden. Beispielsweise kann der Motor in Form einer symmetrisch (doppelseitig) aufgebauten
Axialflussmaschine realisiert sein. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen elektrischen Antrieb für die beschriebene Vorrichtung weiter zu entwickeln und dessen vorteilhafte
Integration innerhalb dieser Aggregate darzustellen.
Optimal für die oben genannte Anwendung geeignet ist nun ein scheibenförmig ausgebildeter Außenläufermotor, idealerweise ein Außenläufermotor nach dem
Vernier-Prinzip, bei dem ein Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator radial orientiert ist.
Die hier dargestellte Erfindung besteht im Kern daraus, in Anordnungen mit
magnetokalorischen Wärmepumpen derartige Motoren in einer vorteilhaften
Verwendung einzusetzen.
Der Vorteil in der Verwendung eines Vernier-Motors besteht zum einen aus der besonderen Charakteristik derartiger Motoren. Sie sind in der Lage, bei kleinen
Drehzahlen, insbesondere im Bereich zwischen 0, 1 Hz und 10 Hz verhältnismäßig hohe Drehmomente mit sehr guten Motorwirkungsgraden (bis 90% und mehr) zu erzeugen. Zum anderen ist dieser Motortyp in besonders vorteilhafter Form in eine Vielzahl der oben beschriebenen magnetokalorischen Wärmepumpen zu integrieren.
Ausprägungen der Erfindung und verschiedene Realisierungen sind nachfolgend exemplarisch in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Prinzipskizze der Ausführungsform nach Fig. 1 in einer axialen Ansicht,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß der Fig. 1 und 2 wird für ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat ein feststehendes magnetokalorisches Material 1 mit einem niederfrequenten magnetischen Wechselfeld beaufschlagt. Das geschieht vorzugsweise, indem ein magnetischer Feldgenerator um eine Achse 5 rotiert. Dieser Feldgenerator besteht im Regelfall aus Permanetmagneten 2, Elemente 3 zur Führung des magnetischen Flusses und Luftspalten. In den Luftspalten wird dann das magnetokalorische Material angeordnet. Dabei ist es technisch und wirtschaftlich vorteilhaft, die vorhandenen, nicht dargestellten Pumpelemente und den magnetischen Feldgenerator über die Achse 5 gemeinsam anzutreiben.
Der elektrische Antrieb der erfindungsgemäßen Anordnung ist nach Art eines Venier Motors beziehungsweise außenlaufenden Motors ausgebildet. Er sieht einen radialen Luftspalt 4 vor. Der Rotor umfasst ein scheibenförmiges, als Rückseite 6 genutztes Element sowie hieran über einen ringförmigen Adapter beziehungsweise Kragen festgelegt einzelne Permanentmagnete 7. Der Stator 8 ist ortsfest an dem Gehäuse 9 festgelegt. Die Wicklungen des Stators 8 sind mit einer Leiterplatte 1 1 kontaktiert.
Während das Aggregat nach Fig. 1 für den Rotor des elektrischen Antriebs einerseits und die rotierend angeordneten Elemente 3 zur Führung des magnetischen Flusses des magnetischen Feldgenerators andererseits einen gleichen Außendurchmesser vorsieht, ist nach der alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 der Außendurchmesser des Rotors um etwa 10% größer als der Außendurchmesser der Elemente 3. Gleichwohl ist auch hier der zur Verfügung gestellte Bauraum weitgehend vollständig genutzt und es kann bei einer niedrigen Drehzahl aufgrund der
Geometrieverhältnisse ein hohes Drehmoment zur Verfügung gestellt und die magnetokalorische Anordnung effizient betrieben werden. Erfindungswesentlich ist insofern, dass ein Verhältnis des Durchmessers D1 des Rotors des elektrischen Antriebs und des Durchmessers D2 des Elements 3 zur Führung des magnetischen Flusses im Bereich von 0,8 bis 1 ,2 liegt. Der Rotor des elektrischen Antriebs und das Magnetfeldführungselement der magnetokalorischen Anordnung haben also einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser.
Ein Hauptaspekt dieser Erfindung besteht weiterhin darin, Komponenten des magnetischen Feldgenerators für einen besonders geeigneten Antriebsmotor mit zu nutzen beziehungsweise diese miteinander zu verschmelzen. Das kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass - wie in Fig. 1 und 2 dargestellt - das Element 3 zur Führung des magnetischen Flusses des Magnetfeldgenerators mit der Rückseite 6 des Rotors des (Vernier-) Außenläufermotors verbunden werden beziehungsweise einseitig ausgebildet sind. Dieser Rotor trägt auf der Innenseite das für die Motorfunktion notwendige aktive Magnetmaterial 7.
In einer weiteren Ausprägung können die Rückseite 3 der Flussführung des
Magnetgenerators und die Rückseite 6 des Rotors des (Vernier-) Außenläufermotors aus einem Teil bestehen, vergleiche Fig. 4. Dieses Teil übernimmt dann die
Flussführung für beide Aufgaben (Generierung des Magnetfeldes für den
magnetokalorischen Teil und in einem gegebenenfalls geringeren Umfang auch für den elektromotorischen Antrieb). Dieses gemeinsame Teil muss dann dergestalt ausgeprägt werden, dass es beide Anteile des magnetischen Flusses tragen kann, ohne in die magnetische Sättigung zu geraten. Das kann durch geeignete Materialwahl und entsprechend gestaltete Bauteilquerschnitte erzielt werden. Zusätzlich verläuft der magnetische Fluss für die Motorfunktion in dem Kragen beziehungsweise dem ringförmigen Adapter.
Der Rotor selbst kann einteilig ausgebildet sein. Alternativ können die Rückseite 6 und der Kragen beziehungsweise der ringförmige Adapter, an dem die Permanentmagnete 7 festgelegt sind, getrennt ausgeführt sein.
Während gemäß der Fig. 1 bis 4 der elektrische Antrieb zwischen dem
magnetokalorischen Komponenten des Aggregats einerseits und einem zum Stützen der Welle vorgesehenen Lager andererseits vorgesehen sind, zeigen die Fig. 5 und 6 Ausführungsbeispiele der Erfindung, in denen das Lager für die Welle 5 zwischen den magnetokalorischen Komponenten des Aggregats einerseits und dem elektrischen Antrieb andererseits angeordnet sind. Nach Fig. 5 ist der Stator gleichwohl fest mit dem Gehäuse 9 des Aggregats verbunden und über die in den Gehäuse 9 festgelegte Platine elektrisch kontaktiert und angesteuert. Nach Fig. 6 ist vorgesehen, dass der Stator an einem Gehäusedeckel 13 des erfindungsgemäßen Aggregats festgestellt ist. Ebenso ist die Platine an dem Gehäusedeckel 13 festgelegt.
Die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbildung des motorischen Antriebs besitzt den Vorteil einer sehr guten Integrierbarkeit in das Aggregat bei gleichzeitig geringstmöglicher Vergrößerung des Bauvolumens des Aggregats. Die Nutzung von Außenläufermotoren nutzt bei den Ausprägungen nach Fig. 1 und 2 sowie 4 den Durchmesser der Aggregate zur Momentenerzeugung optimal aus. Gleichwohl kann auch hier eine Durchmesserdifferenz in dem erfindungsgemäßen Bereich ausgebildet werden, wie dies bei der Ausführung nach der Fig. 3 und 5 sowie 6 der Fall ist.
Bei Anordnung nach der Fig. 1 und 5 ist die räumliche Lage des Stators 8 des Motors über das Gehäuse 9 und das Wälzlager 10 definiert, ohne eine Toleranzkette über eine Trennung im Gehäuse 9 zu erzeugen oder den Momentenfluss des Motors über diese Gehäusetrennung führen zu müssen. Der dargestellte Außenläufermotor wird dabei durch geeignete Anordnung der Magnete auf dem Rotor und durch die Aufteilung der Statorblechpakete auf der den Magneten zugewandten Rückseite 6 (Flusssammler) in mehrere Mikrozähne zum Motor nach dem Vernier-Prinzip.
Bei allen gezeigten Ausführungen können die Spulen des Stators 8 direkt mit einer gedruckten Leiterplatte 11 verbunden werden, mit der die Verschaltung der Spulen realisiert werden kann und die auch eine zur Ansteuerung des Motors notwendige Elektronik tragen kann. In der Ausführung nach Fig. 6 kann ein gegebenenfalls notwendiger Sensor 12 zur Detektion der Achsposition zusammen mit dieser Elektronik auf einer gemeinsamen Leiterplatte untergebracht werden.
In ebenfalls allen Anordnungen besteht die Möglichkeit, gegebenenfalls vorhandene Leistungshalbleiter auf den Leiterplatten 11 zur Kühlung mit den jeweils
korrespondierenden Oberflächen des Gehäuses 9 beziehungsweise des
Gehäusedeckels 13 thermisch zu verbinden.
Die Ausführungen nach Fig. 5 und 6 haben weiterhin den Vorteil eines einfacheren Zusammenbaus beziehungsweise der entsprechende Servicesierbarkeit. Die
Ausführung nach Fig. 6 hat darüber hinaus den Vorteil einer logistischen Trennung von Aggregat zu Stator und Elektronik. Diese können im Gehäusedeckel 13 bereits montiert angeliefert werden und durch einfaches Aufsetzen etc. auf das Gehäuse 9 mit dem Aggregat verbunden werden.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Es ist beispielsweise so, dass die Statorwicklungen nicht unmittelbar mit der Platine 11 kontaktiert sein müssen. Die Platine 11 kann an dem Gehäuse 9, dem Gehäusedeckel 13 oder einer anderen ortsfesten Komponente festgelegt sein.
Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bezugszeichenliste
1 Aggregat
2 Permanentmagnet
3 Flussführungselement
4 Luftspalt
5 Welle
6 Außenläufermotor
7 Permanentmagnet
8 Stator
9 Gehäuse
10 Wälzlager
1 1 Leiterplatten
12 Sensor
13 Gehäusedeckel D1 Durchmesser D2 Durchmesser

Claims

Patentansprüche
1. Antriebsanordnung umfassend ein Magnetokalorik-Aggregat, in dem ein den magnetokalorischen Effekt aufweisender Stoff periodisch einem Magnetfeld ausgesetzt ist, wobei das Magnetfeld durch einen an einer rotierenden Welle (5) festgelegten Permanentmagneten (2) bereitgestellt ist, und umfassend einen elektrischen Antrieb, wobei ein Rotor des elektrischen Antriebs an der gleichen rotierenden Welle (5) festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb als ein Außenläufermotor ausgebildet ist und einen Luftspalt (4) des Außenläufermotors radial orientiert ist.
2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
elektrische Antrieb als ein Vernier-Motor ausgebildet ist.
3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser (D1) des Rotors des elektrischen Antriebs einerseits und einem Durchmesser (D2) der an der Welle (5) festgelegten Elemente zur Führung des magnetischen Flusses (2) im Bereich von 0,8 bis 1 ,2 liegt.
4. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückseite (6) des Rotors des elektrischen Antriebs als eine
gemeinsame Konstruktionskomponente für die Rückführung des magnetischen Flusses der Permanentmagneten (2) des magnetischen Feldgenerators einerseits und der Magnete (7) des Rotors des elektrischen Antriebs andererseits vorgesehen sind.
5. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, der magnetische Feldgenerators in Umfangsrichtung verteilt zwei oder mehr Permanentmagnete (2) vorsieht.
6. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehgeschwindigkeit des magnetischen Feldgenerators einer
Drehgeschwindigkeit des elektrischen Antriebs entspricht.
10
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