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Patent Searching and Data


Title:
MAGNETIC COUPLING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/013575
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a coupling device (10) with a first coupling part (12) and a second coupling part (13) which are magnetically coupled together. An air gap (14) is delimited between the coupling parts (12, 13). The second coupling part (13) has first permanent magnets (16) which have a trapezoidal cross-section, wherein each first permanent magnet (16) is arranged in an intermediate space (23) between two pole pieces (17) of the first coupling part (12). The trapezoid (19) of the cross-section of the first permanent magnet (16) is defined by four corner points, two air gap-side corner points (18a) and two corner points (18b) remote from the air gap. The shortest distance between the two air gap-side corner points (18a) defines a first distance (a) and the shortest distance between the two corner points (18b) remote from the air gap defines a second distance (b), said second distance (b) being at least 2.5 times greater than the first distance (a) and preferably maximally 3.5 times greater than the first distance (a).

Inventors:
GOLDER MARKUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/069458
Publication Date:
January 28, 2021
Filing Date:
July 09, 2020
Export Citation:
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Assignee:
STAHL CRANESYSTEMS GMBH (DE)
International Classes:
H02K49/10
Foreign References:
US5204572A1993-04-20
FR2937390A12010-04-23
US20050093391A12005-05-05
US4336649A1982-06-29
US3573518A1971-04-06
EP2696469B12015-06-17
EP2395635A12011-12-14
Attorney, Agent or Firm:
RÜGER ABEL PATENTANWÄLTE PARTGMBB (DE)
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Claims:
Patentansprüche :

1. Kopplungsvorrichtung (10) aufweisend ein erstes Kopp lungsteil (12) und ein zweites Kopplungsteil (13), die einen Luftspalt (14) zwischen dem ersten Kopplungsteil (12) und dem zweiten Kopplungsteil (13) begrenzen, und die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei an dem ersten Kopplungsteil (12) mehrere erste Permanentmagnete (16) angeordnet sind, die in einer An ordnungsrichtung (R) parallel zum Luftspalt (16) neben einander angeordnet und in der Anordnungsrichtung (R) polarisiert sind, wobei die ersten Permanentmagnete (16) einen Quer schnitt aufweisen, dessen Eckpunkte (18a, 18b) ein Tra pez (19) bilden, wobei die beiden Eckpunkte (18a) des Trapezes (19), die näher an dem Luftspalt (14) angeord net sind, einen ersten Abstand (a) aufweisen und die beiden anderen Eckpunkte (18b) des Trapezes (19) einen zweiten Abstand (b) aufweisen, der mindestens 2,5-mal so groß ist wie der erste Abstand (a) , wobei zwischen jeweils zwei benachbarten ersten Perma nentmagneten (16) ein Polstück (17) angeordnet ist, dessen Querschnitt zum Luftspalt (14) zunimmt.

2. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abstand (b) höchstens 3,5-mal so groß ist wie der erste Abstand (a) .

3. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (h) des Trapezes (19) des Querschnitts der ersten Permanentmagnete (16) rechtwinkelig zu der Anordnungsrichtung (R) größer ist als der zweite Abstand (b) .

4. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Trapezes (19) des Querschnitts der ersten Permanentmagnete (16) mindestens 4-mal so groß ist wie der erste Abstand (a) .

5. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Trapezes (19) des Querschnitts der ersten Permanentmagnete (16) höchstens 6-mal so groß ist wie der erste Abstand (a) .

6. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen eines Pol stücks (17) mindestens 2-mal so groß ist wie das Volu men eines ersten Permanentmagneten (16) .

7. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen eines Pol stücks (17) höchstens 3-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten (16) .

8. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die beiden unmittelbar an ein Polstück (17) angrenzenden ersten Permanentmagnete (16) gegensinnig polarisiert sind.

9. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass jeder erste Permanentmag nete (16) zwei entgegengesetzte Anlageflächen (24) auf weist, wobei die Anlageflächen (24) an jeweils einem Polstück (17) anliegt.

10. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass jedes Polstück (17) zwei entgegengesetzte Gegenanlageflächen (25) aufweist, an denen jeweils ein unmittelbar benachbarter erster Per manentmagnet (16) anliegt.

11. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 7 und nach Anspruch

8,

dadurch gekennzeichnet, dass jede Anlagefläche (24) und/oder jede Gegenanlagefläche (25) gegenüber einer Querrichtung (Q) , die rechtwinkelig zur Anordnungsrich tung (R) ausgerichtet ist, einen Neigungswinkel (ex) aufweist, der im Bereich von 5° bis 20° liegt.

12. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlagefläche (24) und eine daran anliegende Gegenanlagefläche (25) denselben Neigungswinkel (ex) aufweisen.

13. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Polstücke (17) an ih rer an den Luftspalt (14) angrenzenden Seite voneinan der getrennt ausgebildet sind.

14. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Permanentmagne te (16) frei von einer Haftvermittlung in Zwischenräume (23) zwischen den Polstücken (17) eingesetzt sind.

15. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kopplungsteil (13) mehrere in Anordnungsrichtung (R) nebeneinander angeordnete zweite Permanentmagnete (30) aufweist.

Description:
Magnetische Kopplungsvorrichtung

[0001] Die Erfindung betrifft eine magnetische Kopp lungsvorrichtung aufweisend ein erstes Kopplungsteil und ein zweites Kopplungsteil . Zwischen den beiden Kopplungs teilen wird ein Luftspalt begrenzt. Über ein den Luftspalt durchsetzendes Magnetfeld sind die beiden Kopplungsteile miteinander gekoppelt. Die Kopplungsvorrichtung kann, z.B. für Hysteresekupplungen, Elektromotoren oder Linearmotoren verwendet werden.

[0002] US 3,573,518 A beschreibt eine Hysteresekupplung mit zwei Kopplungsteilen, die mit unterschiedlichen Wellen verbunden sind. Ein Kopplungsteil weist Keramikmagnete auf, die in einer Umfangsrichtung konzentrisch zur Drehachse der Wellen angeordnet und in Umfangsrichtung polarisiert sind. Zwischen den Magneten sind Polstücke angeordnet, die einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.

[0003] EP 2 696 469 Bl offenbart einen Rotor für eine Synchronmaschine, der Permanentmagnete mit einem trapezför migen Querschnitt aufweist. Die Permanentmagnete sind in Taschen eines Blechpakets des Rotors angeordnet.

[0004] Aus EP 2 395 635 Al ist eine Kopplungsvorrichtung bekannt, bei der an einem Rotor quaderförmige Permanentmag nete angeordnet sind, die in Umfangsrichtung polarisiert sind. Die radiale Abmessung soll dabei mindestens doppelt so groß sein, wie eine Breite der Permanentmagnete, die tangential zur Umfangsrichtung gemessen wird.

[0005] Ausgehend von diesem Stand der Technik kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Kopplungsvorrichtung zu schaffen, die zur magnetischen Kopplung zweier Kopplungsteile Permanentmagnete verwendet und eine verbesserte Effizienz aufweist.

[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Kopplungsvorrich tung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

[0007] Die erfindungsgemäße Kopplungsvorrichtung weist ein erstes Kopplungsteil und ein zweites Kopplungsteil auf, die dazwischen einen Luftspalt begrenzen. Die beiden Kopp lungsteile sind magnetisch durch ein Magnetfeld miteinander gekoppelt, das sich zwischen den beiden Kopplungsteilen durch den Luftspalt erstreckt. Die Kopplungsvorrichtung kann, z.B. zur Bildung einer Hysteresekupplung verwendet werden. Mittels der Kopplungsvorrichtung lassen sich auch Linearmotoren oder rotatorisch angetriebene Elektromotoren aufbauen .

[0008] Das erste Kopplungsteil hat mehrere Permanentmag nete, die in einer Richtung, die nachfolgend als Anord nungsrichtung bezeichnet wird, parallel zum Luftspalt ne beneinander angeordnet sind. Die ersten Permanentmagnete sind in der Anordnungsrichtung polarisiert. Vorzugsweise weisen in der Anordnungsrichtung unmittelbar benachbart vorhandene erste Permanentmagnete gegensinnige Polarisie rungen auf. Jeder erste Permanentmagnet ist in einem Zwi schenraum zwischen zwei in der Anordnungsrichtung nebenei nander angeordneten Polstücken angeordnet. Die Polstücke bestehen aus magnetisierbarem Material, insbesondere aus wenigstens einem ferromagnetischen und/oder weichmagneti schen Material.

[0009] Erfindungsgemäß haben die ersten Permanentmagnete einen viereckigen Querschnitt, wobei ihre Eckpunkte ein Trapez bilden, insbesondere ein gleichschenkliges Trapez.

In einer Querrichtung, rechtwinklig zur Anordnungsrichtung verjüngt sich der Querschnitt der ersten Permanentmagnete zum Luftspalt hin. In einer Tiefenrichtung, rechtwinklig zur Anordnungsrichtung und rechtwinklig zur Querrichtung ist der Querschnitt der ersten Permanentmagnete vorzugswei se konstant. Der Querschnitt der ersten Permanentmagnete wird in einer Ebene rechtwinkelig zur Tiefenrichtung gebil det. Die beiden Eckpunkte des Trapezes des Querschnitts der ersten Permanentmagnete, die näher am Luftspalt angeordnet sind, werden nachfolgend als luftspaltnahe Eckpunkte be zeichnet. Die kürzeste Distanz entlang einer Geraden zwi schen den beiden luftspaltnahen Eckpunkten bildet einen ersten Abstand. Die beiden in Querrichtung mit größerem Ab stand vom Luftspalt angeordneten Eckpunkte des Trapezes werden nachfolgend als luftspaltferne Eckpunkte bezeichnet. Die kürzeste Distanz entlang einer Geraden zwischen den beiden luftspaltfernen Eckpunkten bildet einen zweiten Ab stand. Der zweite Abstand ist mindestens 2,5-mal so groß wie der erste Abstand. Die ersten Permanentmagnete bilden vorzugsweise einen prismatischen Körper.

[0010] Die Polstücke des ersten Kopplungsteils weisen einen Querschnitt rechtwinkelig zur Tiefenrichtung auf, der zum Luftspalt hin zunimmt.

[0011] Die ersten Permanentmagnete können Seltenerdmag nete sein und weisen beispielsweise Neodym, Samarium, Pra- seodym, Dysprosium, Terbium, Gadolinium oder Yttrium auf. Beispielsweise können die ersten Permanentmagnete aus einer Legierung aufweisend eines der genannten Seltenerdmetalle sowie Eisen oder Kobalt oder Nickel hergestellt sein. Die ersten Permanentmagnete sind teuer und es besteht daher ein Bedürfnis, deren Volumen zu minimieren. Allerdings muss auch sichergestellt werden, dass die magnetische Kopplung bzw. Kraft der ersten Permanentmagnete ausreichend groß ist, so dass zwischen den Kopplungsteilen das gewünschte Kopplungsdrehmoment oder die gewünschte Kopplungskraft er reicht wird.

[0012] Die Querschnittsform der ersten Permanentmagnete führt zu einem deutlichen Effizienzgewinn. Durch diese Tra pezform wird erreicht, dass die ersten Permanentmagnete ei nen magnetischen Fluss in die benachbarten Polstücke aus bilden und ein Streufeld aus den Permanentmagneten in den Luftspalt minimiert wird. Der Erfindung liegt außerdem die Erkenntnis zugrunde, dass das Verhältnis der beiden sich gegenüberliegenden, unterschiedlich langen Seiten eines vorzugsweise gleichschenkligen Trapezes im beanspruchten Bereich eine besonders hohe Effizienz im Hinblick auf den Materialeinsatz und das erreichbare Kopplungsdrehmoment o- der die erreichbare Kopplungskraft bietet.

[0013] Es ist vorteilhaft, wenn der zweite Abstand höchstens 3,5-mal so groß ist wie der erste Abstand. Eine weitere Vergrößerung des zweiten Abstands gegenüber dem ersten Abstand führt zu keinem Gewinn im Hinblick auf das erreichbare Kopplungsdrehmoment oder die erreichbare Kopp lungskraft .

[0014] Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Trapez in Querrichtung eine Höhe, die größer ist als der zweite Abstand. Vorzugsweise ist die Höhe des Trapezes min destens 4-mal so groß wie der erste Abstand. Es ist außer dem vorteilhaft, wenn die Höhe des Trapezes höchstens 6-mal so groß ist, wie der erste Abstand. Durch diese Dimensio nierung kann ein weiterer Effizienzgewinn im Hinblick auf das Gesamtvolumen eines ersten Permanentmagneten zum er reichbaren maximalen Drehmoment erreicht werden.

[0015] Es ist außerdem vorteilhaft, wenn das Volumen ei nes Polstücks mindestens 2-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten. Es ist außerdem vorteil haft, wenn das Volumen eines Polstücks höchstens 3-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten.

Das Volumen der Polstücke muss ausreichend groß sein, um den magnetischen Fluss der ersten Permanentmagnete aufzu nehmen. Durch die angegebene Dimensionierung des Volumens kann eine Optimierung erreicht werden, bei der Streufelder minimiert und die Flussdichte durch den Luftspalt optimiert wird .

[0016] Die beiden unmittelbar an ein gemeinsames Pol stück auf unterschiedlichen Seiten angrenzenden ersten Per manentmagnete sind bei der bevorzugten Ausführungsform ge gensinnig polarisiert. Das dazwischen angeordnete Polstück entspricht daher entweder einem magnetischen Nordpol oder einem magnetischen Südpol.

[0017] Es ist bevorzugt, wenn jeder erste Permanentmag net zwei in der Anordnungsrichtung auf entgegengesetzte Seiten vorhandene Anlagenflächen aufweist, wobei jede Anla gefläche an einem benachbarten Polstück anliegt, vorzugs weise flächig anliegt. Unter einem flächigen Kontakt ist in diesem Zusammenhang eine im Wesentlichen ununterbrochene Anlage über die gesamte Anlagefläche zu verstehen.

[0018] Jedes Polstück kann zwei Gegenanlageflächen auf weisen, die in Anordnungsrichtung auf entgegengesetzten Seiten angeordnet sind. An jeder Gegenanlagefläche liegt bei dieser Ausführung jeweils ein unmittelbar benachbarter erster Permanentmagnet an.

[0019] Es ist bevorzugt, wenn jede Anlagefläche und/oder jede Gegenanlagefläche gegenüber der Querrichtung einen Neigungswinkel aufweist, der im Bereich von 5° bis 20° und vorzugsweise von 7° bis 17,5° liegt. Es ist bevorzugt, wenn eine Anlagefläche und eine daran anliegende Gegenanlageflä che denselben Neigungswinkel aufweisen, so dass eine flä chige Anlage erreicht werden kann. Es ist insbesondere vor teilhaft, wenn sämtliche Anlageflächen und sämtliche Gegen anlageflächen denselben Neigungswinkel aufweisen.

[0020] Die Polstücke des ersten Kopplungsteils können in Querrichtung mit Abstand zum Luftspalt miteinander verbun den sein. Im Bereich der Zwischenräume und angrenzend an den Luftspalt sind die Polstücke des ersten Kopplungsteils vorzugsweise nicht unmittelbar miteinander verbunden. Ins besondere sind die Polstücke in Querrichtung betrachtet auf Höhe der Zwischenräume und in Querrichtung zwischen dem Luftspalt und dem Zwischenraum nicht durch magnetisierbares Material miteinander verbunden.

[0021] Es ist vorteilhaft, wenn die ersten Permanentmag nete ohne Haftvermittlungsverbindung bzw. Klebeverbindung in den Zwischenräumen zwischen den Polstücken angeordnet sind. Beispielsweise können die ersten Permanentmagnete durch ein mechanisches Haltemittel in den Zwischenräumen gehalten bzw. gesichert werden.

[0022] Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Kopplungsteil mehrere in Anordnungsrichtung nebenei nander angeordnete zweite Permanentmagnete auf. Dies ist beispielsweise dann bevorzugt, wenn die Kopplungsvorrich tung eine Hysteresekupplung bildet. Alternativ zu den zwei ten Permanentmagneten können auch andere ein Magnetfeld ausbildende Elemente vorhanden sein, wie etwa Spulen. Mit tels Spulen lässt sich beispielsweise ein bewegtes Magnet feld erzeugen, um einen Motor aufzubauen.

[0023] Es ist bevorzugt, wenn der Betrag der Koerzitiv- feldstärke der ersten Permanentmagnete größer ist als der Betrag der Koerzitivfeidstärke der zweiten Permanentmagne te .

[0024] Vorzugsweise sind die zweiten Permanentmagnete in Anordnungsrichtung polarisiert.

[0025] Die Anordnungsrichtung kann sich entlang einer Geraden erstrecken oder alternativ entlang einer Kreisbahn. Somit lassen sich lineare, wie auch rotatorische Kopplungs vorrichtungen realisieren. Beispielsweise bildet das erste Kopplungsteil einen Läufer und das zweite Kopplungsteil ei nen Stator, wenn ein rotatorischer oder linearer Antrieb gebildet werden soll. Im Falle einer Hysteresekupplung sind beide Kopplungsteile linear oder rotatorisch bewegbar gela gert .

[0026] Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Anzahl der ersten Permanentmagnete und die Anzahl der zweiten Perma- nentmagnete teilerfremd sind. Darunter ist zu verstehen, dass keine natürliche Zahl außer der Eins existiert, die sowohl die Anzahl der ersten Permanentmagnete als auch die Anzahl der zweiten Permanentmagnete teilt.

[0027] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erge ben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschrei bung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

[0028] Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kopplungs vorrichtung in Form einer Hysteresekupplung, wobei das ers te Kopplungsteil und das zweite Kopplungsteil um eine ge meinsame Drehachse drehbar gelagert sind,

[0029] Figur 2 eine schematische Darstellung eines wei teren Ausführungsbeispiels einer Kopplungsvorrichtung in Form einer Hysteresekupplung, wobei die beiden Kopplungs teile linear bewegbar gelagert sind,

[0030] Figur 3 eine vergrößerte Prinzipdarstellung der Form eines ersten Permanentmagneten sowie eines Polstücks eines ersten Kopplungsteils entsprechend der Figuren 1 oder

2,

[0031] Figur 4 eine alternative Ausgestaltungsform eines ersten Permanentmagneten in einer Seitenansicht,

[0032] Figur 5 eine schematische Draufsicht auf ein zweites Kopplungsteil einer Kopplungsvorrichtung mit mehre ren Gruppen von zweiten Permanentmagneten, die in einer An ordnungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, und [0033] Figur 6 ein schematisches Diagramm, das die mag netische Flussdichte abhängig von der magnetischen Feld stärke für erste Permanentmagnete des ersten Kopplungsteils und zweite Permanentmagnete des zweiten Kopplungsteils ver anschaulicht .

[0034] In den Figuren 1 und 2 ist jeweils schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Kopplungsvorrichtung 10 ver anschaulicht, wobei die Kopplungsvorrichtungen 10 bei die sen Ausführungsbeispielen jeweils eine Hysteresekupplung 11 bilden. Die Kopplungsvorrichtung 10 weist jeweils ein ers tes Kopplungsteil 12 sowie ein zweites Kopplungsteil 13 auf. Zwischen dem ersten Kopplungsteil 12 und dem zweiten Kopplungsteil 13 ist ein Luftspalt 14 begrenzt. Durch ein den Luftspalt 14 durchsetzendes Magnetfeld sind die Kopp lungsteile 12, 13 magnetisch miteinander gekoppelt.

[0035] Bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 sind die beiden Kopplungsteile 12, 13 jeweils drehbar um eine ge meinsame Drehachse 15 bewegbar gelagert. Jedes Kopplungs teil 12, 13 kann mit einer Welle verbunden sein, die mit tels der Hysteresekupplung 11 miteinander gekoppelt werden sollen. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind die Kopplungsteile 12, 13 in einer linearen Bewegungsrichtung bewegbar gelagert.

[0036] Das erste Kopplungsteil 12 weist mehrere in einer Anordnungsrichtung R nebeneinander angeordnete erste Perma nentmagneten 16 auf. Die ersten Permanentmagnete bestehen vorzugsweise aus einem hartmagnetischen Material. Die ers ten Permanentmagnete 16 sind in der Anordnungsrichtung R polarisiert. Die Anordnungsrichtung R ist beim Ausführungs- beispiel gemäß Figur 1 durch die Umfangsrichtung um die Drehachse 15 gebildet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist die Anordnungsrichtung R durch die Richtung gebildet, in der das erste Kopplungsteil 12 und das zweite Kopplungs teil 13 bewegbar gelagert sind.

[0037] Wie es in den Figuren 1 und 2 veranschaulicht ist, weist das erste Kopplungsteil 12 außerdem Polstücke 17 aus einem magnetisierbaren Material auf. Die Anzahl der Polstücke 17 entspricht der Anzahl der ersten Permanentmag nete 16.

[0038] In den Figuren 1 und 2 ist bereits zu erkennen, dass die ersten Permanentmagnete 16 einen Querschnitt auf weisen, dessen vier Eckpunkte 18a und 18b ein Trapez 19 bilden, beispielsgemäß ein gleichschenkliges Trapez 19. Die Querschnittsebene ist rechtwinkelig zu einer Tiefenrichtung T ausgerichtet. Die Tiefenrichtung T und die Anordnungs richtung R spannen eine Ebene oder Fläche auf, parallel zu der sich der Luftspalt 14 erstreckt. Eine Querrichtung Q ist rechtwinklig zur Anordnungsrichtung R und zur Tiefen richtung T ausgerichtet. Die Querschnittsebene erstreckt sich daher parallel zu einer durch die Querrichtung Q und die Anordnungsrichtung R aufgespannten Ebene.

[0039] Die beiden Eckpunkte 18a des Trapezes 19, die in Querrichtung Q benachbart zum Luftspalt 14 angeordnet sind, werden nachfolgend als luftspaltnahe Eckpunkte 18a bezeich net. Sie sind in Anordnungsrichtung R nebeneinander ange ordnet. Die beiden anderen Eckpunkte 18b des Trapezes 19, die nachfolgend als luftspaltferne Eckpunkte 18b bezeichnet werden, sind in Querrichtung Q auf der dem Luftspalt 14 entgegengesetzten Seite des ersten Permanentmagneten 16 an- geordnet. Die kürzeste Distanz entlang einer Geraden zwi schen den beiden luftspaltnahen Eckpunkten 18a bildet einen ersten Abstand a. Die kürzeste Distanz entlang einer Gera den zwischen den beiden luftspaltfernen Eckpunkten 18b bil det einen zweiten Abstand b. Diese Geraden können sich in Anordnungsrichtung R erstrecken (Figur 2) oder tangential zur Anordnungsrichtung R ausgerichtet sein (Figur 1) . In Querrichtung Q hat das Trapez 19 des Querschnitts der ers ten Permanentmagnete 16 eine Höhe h. In Figur 3 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines ersten Perma nentmagneten 16 sowie der beiden benachbarten Polstücke 17 veranschaulicht .

[0040] Der trapezförmige Querschnitt des ersten Perma nentmagneten 16 ist in Tiefenrichtung T konstant. Wie er läutert erstreckt sich der Luftspalt 14 parallel zu einer Ebene oder Fläche, die durch die Anordnungsrichtung R und die Tiefenrichtung T aufgespannt ist. Beim Ausführungsbei spiel gemäß Figur 1 entspricht die Tiefenrichtung T einer Axialrichtung parallel zur Drehachse 15. Die Querrichtung Q ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Radialrichtung rechtwinklig zur Drehachse 15. Der Luftspalt ist insbeson dere hohlzylindrisch. In den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 2 ist die Tiefenrichtung T recht winklig zur Zeichenebene ausgerichtet.

[0041] In der Anordnungsrichtung R wechselt sich jeweils ein Polstück 17 mit einem ersten Permanentmagneten 16 ab. Jeder erste Permanentmagnet 16 ist somit in einem Zwischen raum 23 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Polstücken 17 angeordnet. Jeder erste Permanentmagnet 16 hat auf sei nen beiden in Anordnungsrichtung R entgegengesetzten Seiten jeweils eine Anlagefläche 24. Jeder Anlagefläche 24 liegt eine Gegenanlagefläche 25 des unmittelbar benachbarten Pol stücks 17 gegenüber. Zwei Gegenanlageflächen 25 unmittelbar benachbarter Polstücke 17 begrenzen jeweils einen Zwischen raum 23 für einen ersten Permanentmagneten 16. Bei den be vorzugten Ausführungsbeispielen liegt jeweils eine Anlage fläche 24 an einer Gegenanlagefläche 25 an und bildet dabei vorzugsweise einen im Wesentlichen unterbrechungsfreien flächigen Kontakt.

[0042] Wie es vor allem in Figur 3 veranschaulicht ist, sind die Anlageflächen 24 und die Gegenanlageflächen 25 pa rallel zur Tiefenrichtung ausgerichtet und gegenüber der Anordnungsrichtung R unter einem Neigungswinkel geneigt. Eine Ebene, die sich parallel zu einer Anlagefläche 24 und der daran anliegenden Gegenanlagefläche 25 erstreckt, ist weder parallel zur Anordnungsrichtung R, noch parallel zur Querrichtung Q ausgerichtet.

[0043] Der Neigungswinkel beträgt bei einem bevorzug ten Ausführungsbeispiel mindestens 5° und vorzugsweise min destens 7°. Der Neigungswinkel ist vorzugsweise kleiner als 20° und weiter vorzugsweise kleiner als 17,5°.

[0044] Um das Volumen der ersten Permanentmagnete 16 im Hinblick auf das erreichbare Drehmoment optimal auszunut zen, ist der zweite Abstand b der luftspaltfernen Eckpunk ten 18b mindestens 2,5-mal größer als der erste Abstand a der luftspaltseitigen Eckpunkte 18a. Es ist außerdem vor teilhaft, wenn die Höhe h des Trapezes 19 bzw. die Höhe h der ersten Permanentmagnete 16 größer ist als der zweite Abstand b zwischen den beiden luftspaltfernen Eckpunkten 18b. Es hat sich auch gezeigt, dass eine beliebige Vergrö ßerung der Höhe h gegenüber dem ersten Abstand a und/oder des zweiten Abstands b gegenüber dem ersten Abstand a im Hinblick auf die Effizienz nicht sinnvoll ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfüllt die Abmessung der ersten Permanentmagnete 16 folgende Bedingungen:

2,5 a < b < 3,5 a ( 1 )

4- a < h < 6- a (2)

[0045] In jedem Zwischenraum 23 ist genau ein erster Permanentmagnet 16 angeordnet. Vorzugsweise ist der erste Permanentmagnet 16 aus einem integralen Körper gebildet. Alternativ hierzu wäre es auch möglich, einen ersten Perma nentmagneten 16 mehrteilig auszubilden und mehrere Teile in Tiefenrichtung T zu stapeln.

[0046] Die ersten Permanentmagneten 16 sind in den Zwi schenraum 23 frei von einer Haftvermittlungsverbindung an geordnet. Insbesondere ist zwischen dem ersten Permanent magneten 16 und den beiden Polstücken 17, die den Zwischen raum 23 begrenzen, keine Haftvermittlungsschicht bzw. Kle beschicht vorhanden. Bevorzugt sind die ersten Permanent magnete 16 in den sich zum Luftspalt 14 hin verjüngenden Zwischenraum 23 eingesetzt und werden dort mechanisch ge halten. Hierzu kann ein geeignetes mechanisches Rückhalte mittel vorhanden sein, das einen oder mehrere oder alle erste Permanentmagnete 16 in dem Zwischenraum 23 sichert. Das Sicherungsmittel kann kraftschlüssig und/oder form schlüssig auf einen oder mehrere oder alle erste Permanent magnete 16 in Tiefenrichtung T und/oder Querrichtung Q ein wirken .

[0047] Die Polstücke 17 sind parallel zur Tiefenrichtung T betrachtet im Querschnitt ebenfalls trapezförmig ausge- bildet, wobei deren Querschnitt zum Luftspalt 14 hin zu nimmt. Die Trapezform ist durch die Anordnung der Gegenan lageflächen 25 im Neigungswinkel bedingt. In Querrichtung Q können die Polstücke 17 eine Höhe aufweisen, die der Höhe h der ersten Permanentmagneten 16 entspricht (Figur 3) . Al ternativ hierzu kann die Höhe der Polstücke 17 auch etwas größer sein als die Höhe h der ersten Permanentmagnete 16.

[0048] In Tiefenrichtung T haben die ersten Permanent magnete 16 jeweils eine Tiefe c (Figur 3) . Eine Tiefe der Polstücke 17 ist vorzugsweise gleich groß wie die Tiefe c der ersten Permanentmagnete 16. Alternativ zur Darstellung in Figur 3 könnte die Tiefe der Polstücke 17 auch etwas größer sein als die Tiefe c der ersten Permanentmagnete 16.

[0049] Wie eingangs erläutert, sind die ersten Perma nentmagnete 16 in Anordnungsrichtung R derart gegensinnig magnetisiert, dass an ein Polstück 17 unmittelbar jeweils zwei magnetische Südpole S oder zwei magnetische Nordpole N angrenzen, wie es in den Figuren 1 und 2 veranschaulicht ist. Dadurch bildet jedes Polstück 17 entweder einen magne tischen Südpol S oder einen magnetischen Nordpol N. Die Magnetfeldlinien eines Magnetfeldes, das aufgrund des mag netischen Flusses der ersten Permanentmagnete 16 gebildet wird, verlaufen daher von einem einen magnetischen Nordpol N bildenden Polstück 17 zu einem einen magnetischen Südpol S bildenden Polstück 17 (Figur 2) .

[0050] Die Effizienz bei der Ausnutzung des magnetischen Flusses ist dann besonders hoch, wenn das Volumen eines Polstücks 17 mindestens 2-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Permanentmagneten 16 und vorzugsweise höchs tens 3-mal so groß ist wie das Volumen eines ersten Perma- nentmagneten 16.

[0051] Bei den hier veranschaulichten Ausführungsbei spielen, bei denen die Kopplungsvorrichtung 10 als Hystere sekupplung 11 ausgebildet ist, weist das zweite Kopplungs teil 13 mehrere zweite Permanentmagnete 30 auf, die in An ordnungsrichtung R nebeneinander angeordnet sind. Die zwei ten Permanentmagnete 30 sind an einem Halter 31 des zweiten Kopplungsteils 13 angeordnet. Die zweiten Permanentmagnete 30 sind in Anordnungsrichtung R polarisiert bzw. werden durch die stärkeren ersten Permanentmagnete 16 in Anord nungsrichtung R polarisiert. In Anordnungsrichtung R kann zwischen zwei unmittelbar benachbarten zweiten Permanent magneten 30 ein Zwischenraum oder Spalt vorhanden sein. Der Halter 31 kann in Tiefenrichtung T durch mehrere relativ zueinander isolierte Bleche gebildet sein, beispielsweise durch mehrere Bleche aus Metall oder einer metallischen Le gierung. Alternativ dazu kann der Träger 31 aus einem nicht elektrisch leitfähigen und/oder nicht magnetisierbaren Ma terial hergestellt werden. Als Material für den Träger kann beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, Kunststoff oder ein Verbundmaterial verwendet werden.

[0052] Die zweiten Permanentmagnete 30 grenzen mit einer Seite an den Luftspalt 14 an, so dass sie gemeinsam mit den ersten Permanentmagneten 16 und den Polstücken 17 den Luft spalt 14 in Querrichtung Q von entgegengesetzten Seiten her begrenzen. Analog zu der Anordnung der ersten Permanentmag nete 16 bzw. der Polstücke 17 können die zweiten Permanent magnete 30 in Anordnungsrichtung R entlang einer Kreisbahn um die Drehachse 15 angeordnet sein (Figur 1) oder linear nebeneinander (Figur 2) . [0053] Das erste Kopplungsteil 12 weist eine erste An zahl NI erster Permanentmagnete 16 auf. Das zweite Kopp lungsteil 13 weist eine zweite Anzahl N2 zweiter Permanent magnete 30 auf. Die erste Anzahl NI und die zweite Anzahl N2 sind teilerfremd. Das heißt es existiert keine natürli che Zahl außer der Eins, die sowohl einen Teiler zu der ersten Anzahl NI, als auch einen Teiler zu der zweiten An zahl N2 bildet.

[0054] Bevorzugt ist die erste Anzahl NI und die zweite Anzahl N2 alternativ oder zusätzlich zu der Teilerfremdheit so gewählt, dass folgende Bedingung erfüllt ist:

= 2 n , mit n = 0, 1, 2, ... ( 3 )

180

Durch diese zusätzliche Bedingung kann ein weitgehend rast momentfreier Drehmomentverlauf gewährleistet werden. Diese Bedingungen gelten zumindest dann, wenn die erste Anzahl NI der ersten Permanentmagnete 16 höchstens gleich 160 ist und die zweite Anzahl N2 der zweiten Permanentmagnete 30 höchs tens gleich 45 ist.

[0055] Folgende Kombinationen der ersten Anzahl NI und der zweiten Anzahl N2 sind besonders vorteilhaft:

[0056] Dadurch, dass die erste Anzahl NI teilerfremd ist zur zweiten Anzahl N2, ergeben sich für eine rotatorische Anordnung, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, unterschiedliche Polwinkel für das erste Kopplungsteil 12 und das zweite Kopplungsteil 13. Übertragen auf die lineare Anordnung in Figur 2 bedeutet dies, dass Mittelebenen rechtwinklig zur Anordnungsrichtung R, die durch die ersten Permanentmagnete 16 verlaufen, einen Polabstand zueinander haben, der ver schieden ist von einem Polabstand zweier benachbarter Mit telebenen rechtwinklig zur Anordnungsrichtung R durch die zweiten Permanentmagnete 30.

[0057] Es ist bevorzugt, wenn die ersten Permanentmagne te 16 eine an den Luftspalt 14 angrenzende luftspaltnahe Außenfläche aufweisen, die durch die luftspaltnahen Eck punkte 18a definiert ist, die sich in einer Ebene er streckt. Die in Querrichtung Q auf der entgegengesetzten Seite vorhandene luftspalt ferne Außenfläche, die durch die luftspalt fernen Eckpunkte 18b definiert ist, erstreckt sich vorzugsweise ebenfalls in einer Ebene und insbesondere pa rallel zu der luftspaltnahen Außenfläche. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass sich die luftspaltnahe und/oder luftspalt ferne Außenfläche entlang eines Abschnitts einer Zylindermantelfläche um die Drehachse 15 erstreckt, bei spielsweise bei einer Kopplungsvorrichtung 10 gemäß Figur 1. Die Krümmung der luftspaltnahen und luftspalt fernen Au ßenflächen ist schematisch in Figur 4 veranschaulicht. Da sich bei einer solchen Anordnung die Kantenlänge zwischen den luftspaltnahen Eckpunkten 18a und den luftspalt fernen Eckpunkten 18b sowie der Flächeninhalt des Trapezes 19 nur unwesentlich ändert, können auch bei dieser Aus führungs form die gekrümmten Kanten des Trapezes 19 durch gerade Kanten angenähert werden, so dass die vorstehenden Erläuterungen auch für die in Figur 4 dargestellte Aus führungs form der ersten Permanentmagnete 16 zutreffen.

[0058] In Figur 6 sind schematisch eine erste Kennlinie K1 für die ersten Permanentmagneten 16 und eine zweite Kennlinie K2 für die zweiten Permanentmagneten 30 veran schaulicht. Wie es zu erkennen ist, weisen die ersten Per manentmagnete 16 eine erste Koerzitivfeidstärke HCl auf, deren Betrag größer ist als der Betrag einer zweiten Ko erzitivfeidstärke HC2 der zweiten Permanentmagneten 30. Au ßerdem haben die ersten Permanentmagnete 16 eine erste Remanenzflussdichte BR1, die größer ist als eine zweite Remanenzflussdichte BR2 der zweiten Permanentmagnete 30. Im geschlossenen magnetischen Kreis der ersten Permanentmagne te 16 und der zweiten Permanentmagnete 30 sind die stärke ren ersten Permanentmagnete 16 als Quelle zu betrachten, die die zweiten Permanentmagnete 30 magnetisieren. Daher ist die zweite Kennlinie K2 gegenüber der B-Achse gespie gelt veranschaulicht.

[0059] Wie es in Figur 6 außerdem zu erkennen ist, ist die erste Sättigungsmagnetisierung BS1 der ersten Perma nentmagneten 16 größer als die zweite Sättigungsmagnetisie rung BS2 der zweiten Permanentmagnete 30.

[0060] Bei einem Ausführungsbeispiel kann die erste Ko erzitivfeidstärke HCl größer sein als 1000 kA/m. Der erste Permanentmagnet 16 hat vorzugsweise ein Energieprodukt, das größer ist als 100 kJ/m 3 oder größer ist als 200 kJ/m 3 .

[0061] Die ersten Permanentmagnete 16 können, z.B. aus einer Legierung bestehen, die Neodym, Eisen und Bor ent hält. Die zweiten Permanentmagnete 30 können beispielsweise aus einer Legierung bestehen, die Aluminium, Nickel und Ko balt enthält.

[0062] In Figur 2 ist stark schematisiert der Verlauf von Magnetfeldlinien M im Luftspalt 14 und im zweiten Per manentmagneten 30 veranschaulicht. Die Magnetfeldlinien M verlaufen ausgehend von einem einen magnetischen Nordpol N bildenden Polstück 17 durch den Luftspalt 14, treten in den zweiten Permanentmagneten 30 an einem magnetischen Südpol S ein, treten an dem zweiten Permanentmagneten 30 am magneti schen Nordpol N aus, durchsetzen wieder den Luftspalt 14 und treten in ein Polstück 17 ein, das einen magnetischen Südpol S bildet. Der magnetische Fluss, der sich dabei durch eine Schnittfläche des zweiten Permanentmagneten 30 ergibt, verursacht im zweiten Magneten 30 abhängig vom Flä cheninhalt einer Schnittfläche rechtwinklig zur Anordnungs richtung R eine Flussdichte. Vorzugsweise ist der Flächen inhalt der Schnittfläche rechtwinklig zur Anordnungsrich tung R derart gewählt, dass in dem zweiten Permanentmagne ten 30 eine Flussdichte erreicht wird, die höchstens der zweiten Sättigungsmagnetisierung BS2 entspricht. Vorzugs weise wird an keiner Stelle dieser Schnittfläche eine

Flussdichte erreicht, die größer ist als die zweite Sätti gungsmagnetisierung BS2. Vorzugsweise wird der Flächenin halt dieser Schnittfläche derart dimensioniert, dass zumin dest an einer Stelle die zweite Sättigungsmagnetisierung BS2 erreicht wird, um das maximal übertragbare Kopplungs drehmoment oder die maximal übertragbare Kopplungskraft zwischen den beiden Kopplungsteilen 12, 13 zu erreichen.

[0063] In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Realisierung des zweiten Kopplungsteils 13 veranschau licht. In Tiefenrichtung T sind hierbei nebeneinander meh rere Reihen oder Gruppen von zweiten Permanentmagneten 30 angeordnet, die jeweils in Anordnungsrichtung R zueinander versetzt sind, beispielsgemäß um eine Distanz d. Bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind eine erste Grup- pe 32, eine zweite Gruppe 33 und eine dritte Gruppe 34 vor handen, wobei alle Gruppen 32, 33, 34 dieselbe Anzahl an zweiten Permanentmagneten 30 aufweist. Die Distanz d ist kleiner als die Länge der zweiten Permanentmagnete 30 in Anordnungsrichtung R. Der Versatz bzw. die Distanz d sind derart gewählt, dass die Lücken oder Spalte zwischen den zweiten Permanentmagneten 30 einer Gruppe in Tiefenrichtung T nicht fluchten mit den Spalten oder Lücken sämtlicher an derer Gruppen.

[0064] Am Beispiel der Hysteresekupplung 11 gemäß Figur 1 wird nachfolgend deren Funktionsweise erläutert. Wird das erste Kopplungsteil 12 oder das zweite Kopplungsteil 13 um die Drehachse 15 angetrieben, erzeugen die ersten Perma nentmagnete 16 gemeinsam mit den Polstücken 17 ein Magnet feld, das den Luftspalt 14 und die zweiten Permanentmagnete 30 durchsetzt. Dadurch entsteht eine magnetische Kopplung zwischen den beiden Kopplungsteilen 12, 13. Abhängig von der Dimensionierung kann dadurch das nicht angetriebene Kopplungsteil vom angetriebenen Kopplungsteil mitgenommen werden und rotiert ebenfalls um die Drehachse 15. Sobald die durch die Hysteresekupplung 11 definierte Schlupfgrenze erreicht ist, findet eine Relativverdrehung der beiden Kopplungsteile 12, 13 zueinander statt. Bei einer Annähe rung an die Schlupfgrenze der Hysteresekupplung 11 werden die durch die ersten Permanentmagnete 16 bzw. die Polstücke 17 an den zugewandten Seiten der zweiten Permanentmagnete 30 induzierten Magnetpole in Anordnungsrichtung R relativ zu den magnetischen Polen der Polstücke 17 verschoben. Die induzierten Pole des zweiten Magneten 19 beruhen auf der Aufmagnetisierung des Magnetmaterials der zweiten Perma nentmagnete 30 - möglichst bis zur zweiten Sättigungsmagne tisierung BS2. Wird durch diese Verschiebung der induzier- ten Magnetpole an den zweiten Permanentmagneten 30 die zweite Koerzitivfeidstärke HC2 erreicht bzw. überschritten, beginnen die induzierten Pole auf in Anordnungsrichtung R entlang der zweiten Permanentmagnete 30 zu wandern, wodurch kein Drehmoment bzw. keine Kraft zwischen den beiden Kopp lungsteilen 12, 13 schlupffrei übertragen werden kann.

[0065] Eine Hysteresekupplung mit linear bewegten Kopp lungsteilen 12, 13, wie sie in Figur 2 veranschaulicht ist, arbeitet auf demselben Prinzip, so dass auf die vorstehende Erläuterung verwiesen werden kann.

[0066] Die Erfindung betrifft eine Kopplungsvorrichtung 10 mit einem ersten Kopplungsteil 12 und einem zweiten Kopplungsteil 13, die magnetisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen den Kopplungsteilen 12, 13 ist ein Luftspalt

14 begrenzt. Das zweite Kopplungsteil 13 weist im Quer schnitt trapezförmige erste Permanentmagnete 16 auf, wobei jeder erste Permanentmagnet 16 in einem Zwischenraum 23 zwischen zwei Polstücken 17 des ersten Kopplungsteils 12 angeordnet ist. Ein Trapez 19 des Querschnitts des ersten Permanentmagneten 16 ist durch vier Eckpunkte definiert, zwei luftspaltseitige Eckpunkte 18a und zwei luftspaltferne Eckpunkte 18b. Der kürzeste Abstand zwischen den beiden luftspaltseitigen Eckpunkten 18a definiert einen ersten Ab stand a und der kürzeste Abstand zwischen den beiden luft spaltfernen Eckpunkten 18b definiert einen zweiten Abstand b. Der zweite Abstand b ist mindestens 2,5-mal größer als der erste Abstand a und vorzugsweise höchstens 3,5-mal grö ßer als der erste Abstand a. Bezugs zeichenliste :

10 Kopplungsvorrichtung

11 Hyteresekupplung

12 erstes Kopplungsteil

13 zweites Kopplungsteil

14 Luftspalt

15 Drehachse

16 erster Permanentmagnet

17 Polstück

18a luftspaltseitiger Eckpunkt 18b luftspaltferner Eckpunkt

19 Trapez

23 Zwischenraum

24 Anlagefläche

25 Gegenanlagefläche

30 zweite Permanentmagnete

31 Halter

32 erste Gruppe

33 zweite Gruppe

34 dritte Gruppe Neigungswinkel

a erster Abstand

b zweiter Abstand

BR1 erste Remanenzflussdichte

BR2 zweite Remanenzflussdichte BS1 erste Sättigungsmagnetisierung BS2 zweite Sättigungsmagnetisierung c Tiefe d Distanz

h Höhe

HCl erste Koerzitivfeidstärke HC2 zweite Koerzitivfeidstärke Kl erste Kennlinie

K2 zweite Kennlinie

M Magnetfeldlinie

N Nordpol

Q Querrichtung

R Anordnungsrichtung

S Südpol

T Tiefenrichtung