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Patent Searching and Data


Title:
MAGNETIC GEAR MECHANISM WITH COILS AROUND PERMANENTLY EXCITED MAGNET POLES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/029676
Kind Code:
A1
Abstract:
The dynamics of a magnetic gear mechanism are intended to be improved. For this purpose, a magnetic gear mechanism with a stator, a first rotor, which has permanently excited magnet poles (2, 3), and a second rotor, which likewise has permanently excited magnet poles, is proposed. The rotors are magnetically coupled to the stator. In each case one coil (5) is wound around each of the magnet poles (2, 3) of the first rotor. The coils (5) of the magnet poles (2, 3) are connected in series. The series circuit of the coils (5) can be supplied direct current in order to alter the magnetic flux through the magnet poles (2, 3) in comparison with the de-energized state.

Inventors:
MUNZ DIETER (DE)
REINHARD MARKUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2011/065014
Publication Date:
March 07, 2013
Filing Date:
August 31, 2011
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
MUNZ DIETER (DE)
REINHARD MARKUS (DE)
International Classes:
H02K49/10
Domestic Patent References:
WO2009026767A12009-03-05
Foreign References:
US20110127869A12011-06-02
CN201166098Y2008-12-17
DE3605899A11987-08-27
US20110163623A12011-07-07
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Magnetisches Getriebe mit

- einem Ständer,

- einem ersten Läufer, der permanenterregte Magnetpole (2, 3) aufweist, und

- einem zweiten Läufer, der permanenterregte Magnetpole auf¬ weist, wobei

- die Läufer mit dem Ständer magnetisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass

- um jeden der Magnetpole (2, 3) des ersten Läufers je eine Spule (5) gewickelt ist,

- die Spulen der Magnetpole entsprechend einer ersten Rei¬ henschaltung in Serie geschaltet sind, und

- die erste Reihenschaltung der Spulen mit Gleichstrom (IDc) versorgbar ist, um den magnetischen Fluss durch die Magnetpole des ersten Läufers gegenüber dem stromlosen Zustand zu ändern. 2. Magnetisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei um jeden der Magnetpole des zweiten Läufers je eine Spule gewickelt ist, die Spulen der Magnetpole entsprechend einer zweiten Reihenschaltung in Serie geschaltet sind, und die zweite Serien¬ schaltung der Spulen mit Gleichstrom versorgbar ist, um den magnetischen Fluss durch die Magnetpole des zweiten Läufers gegenüber dem stromlosen Zustand zu ändern.

3. Magnetisches Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wickelrichtung jeder Spule (5) von der Magnetisierungsrich- tung der Permanentmagnete des jeweiligen Magnetpols (2, 3) abhängt .

4. Magnetisches Getriebe nach Anspruch 3, wobei benachbarte Magnetpole (2, 3) durch Permanentmagnete entgegengesetzt mag- netisiert sind und daher Spulen (5) mit zueinander entgegengesetzter Wickelrichtung aufweisen.

5. Magnetisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Magnetpole (2, 3) einen weichmagne¬ tischen Kern aufweist. 6. Magnetisches Getriebe nach Anspruch 5, wobei die Magnetpo¬ le (2, 3) des ersten Läufers segmentartig auf einer weichmag¬ netischen Scheibe angeordnet sind, und in den Pollücken (4) Nuten gebildet sind, in die die Spulen (5) eingelegt sind. 7. Magnetisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen Temperatursensor, der ein Temperatursignal ausgibt, und eine erste Steuereinrichtung zum Steuern des Gleichstroms durch die Spulen in Abhängigkeit von dem Tempe¬ ratursignal aufweist.

8. Magnetisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen Überlastsensor, der ein Überlastsignal ausgibt, und eine zweite Steuereinrichtung zum Steuern des Gleichstroms durch die Spulen in Abhängigkeit von dem Über- lastsignal aufweist.

9. Magnetisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine dritte Steuereinrichtung aufweist, mit der der Gleichstrom so durch die Spulen steuerbar ist, dass wäh- rend einer vorgegebenen Anlaufphase des jeweiligen Läufers der magnetische Fluss durch die Magnetpole (2, 3) gegenüber dem stromlosen Zustand gestärkt wird.

10. Verfahren zum Betreiben eines magnetischen Getriebes, das einen Ständer, einen ersten Läufer, der permanenterregte Magnetpole aufweist, und einen zweiten Läufer besitzt, der per¬ manenterregte Magnetpole aufweist, wobei die Läufer mit dem Ständer magnetisch gekoppelt sind,

gekennzeichnet durch

- Bereitstellen je einer Spule (5) um jeden der Magnetpole

(2, 3) des ersten Läufers, wobei die Spulen der Magnetpole entsprechend einer ersten Reihenschaltung in Serie geschaltet sind, und - Versorgen der ersten Reihenschaltung der Spulen (5) mit Gleichstrom (IBC) , um den magnetischen Fluss durch die Mag¬ netpole des ersten Läufers gegenüber dem stromlosen Zustand zu ändern.

Description:
Beschreibung

Magnetisches Getriebe mit Spulen um permanenterregte Magnet ¬ pole

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisches Getriebe mit einem Ständer, einem ersten Läufer, der permanenterregte Magnetpole aufweist, und einem zweiten Läufer, der ebenfalls permanenterregte Magnetpole aufweist, wobei die Läufer mit dem Ständer magnetisch gekoppelt sind. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines magnetischen Getriebes, das wie oben gebaut ist.

Seit einiger Zeit sind so genannte „magnetische Getriebe" be ¬ kannt. Diese bestehen aus mindesten zwei Läufern (An- und Abtriebsseite) und einem Ständer. Die Läufer tragen Permanent ¬ magnete unterschiedlicher Polzahl. Die Polzahl für jeden Läufer ergibt sich aus einer Auslegungsregel. Die Magnete sind auf einem magnetischen Rückschluss aufgebracht.

Der angetriebene Läufer erzeugt im Luftspalt (zwischen erstem Läufer und Ständer) ein magnetisches Drehfeld, das in Abhän ¬ gigkeit von der Polzahl synchron mit dem Läufer dreht. Der Ständer besteht zum Teil aus weichmagnetischen Werkstoffen. Es handelt sich meist um geblechtes Eisen oder weichmagneti ¬ sche Compound-Materialien (Soft Magnetic Composites) oder Weichferrit. Aufgabe des Ständers ist es, das magnetische Wechselfeld von der Antriebsseite in geeigneter Weise zu mo ¬ dulieren, so dass das Feld auf der Abtriebsseite (im zweiten Luftspalt zwischen Ständer und abtriebsseitigem Läufer) mit einer anderen Frequenz rotiert. Somit kann eine Veränderung der Drehzahl (Untersetzung) erreicht werden, wenn der ab- triebsseitige Läufer mit der auftretenden Polzahl koppelt.

Bei bisher bekannten Realisierungen tragen die beiden Läufer, egal ob axiale oder radiale Flussführung (scheibenartige oder rohrförmige Bauform der Läufer) vorliegt, Permantentmagnete (vorzugsweise aus NdFeB) unterschiedlicher Polzahl. Die Mag- nete des angetriebenen Läufers (eine Scheibe bei axialer An ¬ ordnung und ein Rohr bei radialer Anordnung) erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, das durch die flussführenden Zähne im feststehenden Ständer (ebenfalls eine Scheibe bzw. ein Rohr) moduliert wird und dann auf der Abtriebsseite mit dem Feld der Magnete auf dem zweiten Läufer (wiederum Scheibe oder Rohr) gekoppelt wird. Durch die Wahl der Anzahl der Magnete wird das Übersetzungsverhältnis festgelegt. Sowohl eine Un ¬ ter- als auch eine Übersetzung ist möglich. Die Stärke des Magnetfelds definiert das maximal mögliche Drehmoment. Wird dieses Drehmoment überschritten, fällt das Getriebe außer Tritt. Sinkt das Lastdrehmoment unter das kritische Drehmo ¬ ment, synchronisiert sich das Getriebe wieder. Es ist nicht möglich, das Verhalten beim Außer-Tritt-Fall und beim Syn- chronisieren zu steuern. Dies wäre aber wünschenswert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, das Verhalten eines magnetischen Getriebes beim Außer-Tritt- Fall und/oder beim Synchronisieren variabel gestalten zu kön- nen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein magneti ¬ sches Getriebe mit einem Ständer, einem ersten Läufer, der permanenterregte Magnetpole aufweist, und einem zweiten Läu- fer, der permanenterregte Magnetpole aufweist, wobei die Läu ¬ fer mit dem Ständer magnetisch gekoppelt sind, und wobei um jeden der Magnetpole des ersten Läufers je eine Spule gewi ¬ ckelt ist, die Spulen der Magnetpole entsprechend einer ers ¬ ten Reihenschaltung in Serie geschaltet sind, und die erste Reihenschaltung der Spulen mit Gleichstrom versorgbar ist, um den magnetischen Fluss durch die Magnetpole des ersten Läufers gegenüber dem stromlosen Zustand zu ändern.

Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Ver- fahren zum Betreiben eines magnetischen Getriebes, das einen Ständer, einen ersten Läufer, der permanenterregte Magnetpole aufweist, und einen zweiten Läufer besitzt, der permanenterregte Magnetpole aufweist, wobei die Läufer mit dem Ständer magnetisch gekoppelt sind, durch Bereitstellen je einer Spule um jeden der Magnetpole des ersten Läufers, wobei die Spulen der Magnetpole entsprechend einer ersten Reihenschaltung in Serie geschaltet sind, und Versorgen der ersten Reihenschal ¬ tung der Spulen mit Gleichstrom, um den magnetischen Fluss durch die Magnetpole des ersten Läufers gegenüber dem stromlosen Zustand zu ändern.

In vorteilhafter Weise wird also um jeden Magnetpol des ers ¬ ten Läufers je eine Spule gewickelt, und die Spulen wer ¬ den/sind zu einer Wicklung in Reihe geschaltet. Somit können sämtliche Spulen des ersten Läufers mit einem Gleichstrom versorgt werden, mit dem sich je nach Bedarf der magnetische Fluss durch die Magnetpole verändern lässt. So kann er bei ¬ spielsweise bei einem Außer-Tritt-Fall geschwächt und zum Synchronisieren gestärkt werden.

Vorzugsweise ist auch um jeden der Magnetpole des zweiten Läufers je eine Spule gewickelt, die Spulen der Magnetpole sind entsprechend einer zweiten Reihenschaltung für eine zweite Wicklung in Serie geschaltet, und die zweite Reihen ¬ schaltung der Spulen ist mit Gleichstrom versorgbar, um den magnetischen Fluss durch die Magnetpole des zweiten Läufers gegenüber dem stromlosen Zustand zu ändern. Damit kann nicht nur bei dem ersten Läufer, sondern auch bei dem zweiten Läufer des Getriebes das kritische Drehmoment verändert werden.

Vorteilhafterweise hängt die Wickelrichtung jeder Spule von der Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete des jeweili gen Magnetpols ab. Damit können die magnetischen Flüsse alle Magnetpole durch ein und denselben Gleichstrom verstärkt ode geschwächt werden.

Insbesondere können benachbarte Magnetpole durch Permanent ¬ magnete entgegengesetzt magnetisiert sein und daher Spulen mit zueinander entgegengesetzter Wickelrichtung aufweisen. Somit wechseln sich am Umfang des Läufers bzw. der Läufer die Magnetisierungen der Magnetpole von einem Magnetpol zum ande ¬ ren regelmäßig ab.

Insbesondere sollte jeder der Magnetpole einen weichmagneti ¬ schen Kern aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Spulen nicht um die Permanentmagnete, die in etwa die relative Per ¬ meabilitätszahl von Luft haben, gewickelt werden müssen.

Vielmehr sind die Spulen dann um einen weichmagnetischen Kern gewickelt, so dass zur Erreichung eines gewünschten magneti ¬ schen Flusses eine geringere Stromstärke notwendig ist.

Die Magnetpole des ersten Läufers können segmentartig auf ei- ner weichmagnetischen Scheibe angeordnet sein, wobei in den Pollücken Nuten gebildet sind, in die die Spulen eingelegt sind. Durch diese spezielle Konstruktion erhalten die Spulen einen weichmagnetischen Kern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das magnetische Getriebe einen Temperatursensor, der ein Temperatursignal ausgibt, und eine erste Steuereinrichtung zum Steuern des Gleichstroms durch Spulen in Abhängigkeit von dem Temperatursignal auf. Dies hat den Vorteil, dass eine Schwächung des Felds aufgrund einer Temperaturerhöhung kompensiert werden kann .

Darüber hinaus kann das magnetische Getriebe einen Überlast ¬ sensor, der ein Überlastsignal ausgibt, und eine zweite Steu ¬ ereinrichtung zum Steuern des Gleichstroms durch die Spulen in Abhängigkeit von dem Überlastsignal aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Folgen der Überlast rascher beseitigt werden können (Rütteln oder Asynchronität ) .

Des Weiteren kann das magnetische Getriebe eine dritte Steu ¬ ereinrichtung aufweisen, mit der der Strom so durch die Spulen steuerbar ist, dass während einer vorgegebenen Anlaufphase des jeweiligen Läufers der magnetische Fluss durch die Magnetpole gegenüber dem stromlosen Zustand gestärkt wird. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das magnetische Ge ¬ triebe beim Anlaufen schneller synchronisiert wird.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die einen scheibenförmigen Läufer eines magnetischen Getriebes schematisch in der Draufsicht darstellt .

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung dar.

Ein magnetisches Getriebe der eingangs genannten Art besitzt zwei Läufer, die mit Permanentmagneten eines bestimmten Magnetmaterials versehen sind. Da das maximal übertragbare Dreh ¬ moment von der Feldstärke des Feldes und damit hauptsächlich von der Remanenzinduktion B R des verwendeten Magnetmaterials abhängt, kann das „Kippmoment" nach der Herstellung des Ge ¬ triebes nach dem Stand der Technik nicht mehr verändert wer ¬ den. Mit dem erfindungsgemäßen magnetischen Getriebe bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines solchen Getriebes soll dies jedoch ermöglicht werden.

Magnetische Getriebe werden typischerweise mit rohrförmigen Läufern oder mit scheibenförmigen Läufern realisiert. Das Beispiel der Figur zeigt eine Draufsicht auf einen scheiben ¬ förmigen Läufer. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen 12-poligen Läufer. Jeder Pol ist segmentartig ausgebil ¬ det. Eine Polteilung 1 entspricht also einem Segment der Scheibe. In dem rechten Teil der Figur sind symbolisch zwei entgegengesetzt gerichtete Magnetpole 2 und 3 eingezeichnet. Der eine Magnetpol 2 ist in die Zeichnungsebene hinein magne- tisiert, d.h. seine Magnetisierungsrichtung steht senkrecht zur Zeichnungsebene und weist in diese hinein. Demgegenüber ist der andere Magnetpol 3 aus der Zeichnungsebene heraus magnetisiert . Seine Magnetisierungsrichtung weist entspre ¬ chend aus der Zeichnungsebene heraus. Auch in den anderen Polteilungen 1 sind Magnetpole enthalten. Ihre Magnetisie- rungsrichtung wechselt in Umfangsrichtung von Polteilung zu Polteilung ab. Jeder der Magnetpole 2, 3 wird durch Permanentmagnete erregt. Um einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden, müssen Pollücken 4 zwischen den Magnetpolen 2, 3 vorgesehen werden. Daher sind die Magnete der Magnetpole schmaler als die Polteilung 1. Diese Pollücken 4 nehmen hier die Wicklung bzw. Spulen 5 auf. Um die Spulen zu fixieren, können die Pollücken 4 nach dem Einlegen der Spulen vergossen werden. Dies reduziert auch die Luftwirbelverluste.

Um das Magnetfeld zu stärken, sollte die Spule um ein ferro- magnetisches Bauteil gewickelt sein. Dies ist bei einem Rück- schluss, den die Scheibe als Träger darstellt, aus z.B.

Weichferrit oder SMC besonders einfach möglich. Entlang der Grenzen der Polteilung wird hierzu nämlich die Scheibe sternförmig eingesägt oder eingefräst. Dadurch entstehen kleine Säulen aus Ferrit/SMC, um die die Wicklung bzw. Spule 5 ge- legt werden kann.

Die Spulen können einfach zu fertigende Zylinderspulen sein, die in die Form der Kontur der Magnete gebracht werden. Denkbar sind auch Wicklungen, auf einer (flexiblen) Leiterbahn.

Somit ist um jeden permanenterregten Magnetpol 2, 3 eine Wicklung bzw. Spule 5 vorgesehen. Da benachbarte Pole jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind, muss der Wickelsinn um je ¬ den Magneten geändert werden. Damit können die Spulen zu ei- ner Reihenschaltung zusammengeschaltet und alle mit demselben Gleichstrom gespeist werden. Als Alternative könnten auch alle Magnetpole mit Spulen gleichen Wicklungssinns versehen werden und die Spulen benachbarter Magnetpole werden dann mit entgegengesetzter Richtung bestromt. Letzteres erfordert eine aufwändigere Verschaltung .

Durch eine Einspeisung eines Gleichstroms in die Wicklung bzw. die in Reihe geschalteten Spulen 5 werden die Felder al- ler Magnete entweder gestärkt oder geschwächt. Die Stärke des Magnetfelds der Spulen ist abhängig von der Anzahl der Windungen, der Stärke des Stroms und einer eventuellen Verstärkung des Felds durch weichmagnetische Kernmaterialien.

In dem Beispiel der Figur wird in den oberen Anschluss der Spule 5 des Magnetpols 2 ein Gleichstrom I DC eingespeist, so dass er am unteren Anschluss wieder herausfließt. Dadurch wird ein Magnetfeld erregt, das aus der Zeichnungsebene her- aus gerichtet ist. Es schwächt damit das Magnetfeld, das durch die Permanentmagnete in Richtung in die Zeichnungsebene hinein erregt wird.

Da bei dem Magnetpol 3 die Wicklung 5 einen umgekehrten Wick- lungssinn hat, fließt der Gleichstrom I DC in dem unteren Anschluss in die Spule und in dem oberen Anschluss aus ihr her ¬ aus. Der Strom fließt also im Uhrzeigersinn und erregt damit ein Magnetfeld, das in die Zeichnungsebene hinein gerichtet ist. Damit schwächt es ebenfalls das Magnetfeld, das durch die Permanentmagneten des Magnetpols 3 erregt wird, welches aus der Zeichnungsebene heraus gerichtet ist.

Die Stromstärke des die Spulen 5 speisenden Gleichstroms wird beispielsweise über eine Steuereinrichtung gesteuert bzw. ge- regelt, die Signale von einem oder mehreren Sensoren erhält. Derartige Sensoren können beispielsweise Temperatursensoren oder Überlastsensoren sein. Ein Überlastsensor ermittelt beispielsweise ein Rütteln des Getriebes, das auftritt, wenn das Getriebe aufgrund von Überlast „durchdreht" . Ein solches „Durchdrehen" kann beispielsweise auch elektrisch am Stator registriert werden.

Es bestehen zahlreiche Gründe für das Ändern des Magnetfelds der Magnetpole eines magnetischen Getriebes durch Einprägen eines Gleichstroms. Beispielsweise wird ein magnetisches Ge ¬ triebe bei einer Mühle eingesetzt. Werden in der Mühle unter ¬ schiedlich harte Materialien gemahlen, muss das Kippmoment des Getriebes zum Schutz des Antriebsstrange entsprechend eingestellt werden. Zur Einstellung des Kippmoments wird der Gleichstrom entsprechend justiert.

Ein weiterer Grund für die Änderung des Magnetfelds bei einem magnetischen Getriebe kann dessen Erwärmung sein. Durch die Erwärmung der Magnete sinkt deren Induktion, so dass durch die Erwärmung (Verluste proportional zur Drehzahl) das maxi ¬ mal übertragbare Drehmoment sinkt. Diese Schwächung des Felds kann durch eine Überlagerung eines gleichsinnigen elektrisch erregten Magnetfelds kompensiert werden.

Darüber hinaus kann ein magnetisches Getriebe durch Überlast „durchdrehen" . Dabei entstehen starke Schwingungen, da die Magnetfelder der Läufer immer noch in voller Höhe bestehen. Die Magnetfelder werden dann durch Einprägen eines entsprechenden Stroms erfindungsgemäß bewusst geschwächt, um das Rütteln zu minimieren.

Ein weiterer Grund für das Ändern des Magnetfelds kann darin bestehen, nach einem Außer-Tritt-Fall das Getriebe wieder schneller zu synchronisieren. Hierzu kann das Feld kurzzeitig gestärkt werden.

Des Weiteren muss bei einem Hochlauf nicht nur das Lastmo ¬ ment, sondern auch das Trägheitsmoment der Läufer überwunden werden. Während des Hochlaufs kann dann das Magnetfeld ge ¬ stärkt werden. Die Magnete müssen in diesem Fall nur für das Lastmoment ausgelegt werden.

Die Energie zur Speisung der Wicklung kann durch Schleifringe oder induktive Übertrager auf den Läufer übertragen werden. Denkbar ist auch der Einsatz von Motoren mit integrierter Energieübertragung auf den Läufer.

Mit der Erfindung wird in vorteilhafter Weise die Dynamik beim Hochlauf, Außer-Tritt-Fall und der Wiedersynchronisation gegenüber bekannten magnetischen Getrieben verbessert. Dies wird durch den Einsatz einer einfach herzustellenden DC- Wicklung erreicht. Um alle Pole gleichzeitig entweder magne ¬ tisch zu stärken oder zu schwächen (natürlich nicht über den irreversiblen Punkt hinaus), werden die Wicklungen entweder gegensinnig gewickelt oder die Wicklungen werden gegensinnig bestromt.

Bezugs zeichenliste

Polteilung

Magnetpol

Magnetpol

Pollücken

Spulen

Gleichstrom