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