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Die Erfindung betrifft einen Polträger für einen elektro-mechanischen Energiewandler, sowie einen Energiewandler zum Wandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, insbesondere für eine Wasserstoffumgebung.
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Im Stand der Technik sind verschiedene elektro-mechanische Energiewandler (basierend auf der Lorenzkraft), zum Beispiel ein Elektromotor und/oder ein Generator, bekannt, bei denen ein Polträger, zum Beispiel ein Stator, ein rotierbares Polrad oder ein translatorisch bewegbarer Polkolben beziehungsweise Polläufer, eingesetzt wird, auf dem zumindest ein Dauermagnet vorgesehen ist. Hierbei wird auf die folgende Fachliteratur verwiesen:
Rolf Fischer (2013), Elektrische Maschinen, 16. Auflage, München: Carl Hanser Verlag;
Rainer Hagl (2013), Elektrische Antriebstechnik, München: Carl Hanser Verlag;
Ekkehard Bolte (2012), Elektrische Maschinen, Heidelberg: Springer Science + Buisness Media. Dauermagnete sind teilweise sehr empfindlich gegenüber aggressiven Medien und können infolge eines Aussetzens in einer solchen Umgebung ihre Magnetisierung verlieren. Dies ist insbesondere bei Seltenerden-Magneten in einer Wasserstoffumgebung der Fall. Übliche Seltenerden-Magnete sind Eisen-Neodym-Bor-Legierungen und Kobalt-Samarium-Legierungen. Hier kommt es zu einer sogenannten Wasserstoffversprödung, die zum Verlust der Magnetisierung führt. Seltenerden-Magnete sind jedoch aufgrund ihrer hohen Remanenz und Koerzitivfeldstärke besonders vorteilhaft. In der
DE 38 17 467 A1 ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Schutzschicht auf Seltenerden-Magneten zur Vermeidung von Wasserstoffversprödung beschrieben. Das Verfahren ist jedoch aufwendig und daher kostenintensiv. Daher wird im Stand der Technik in solchen aggressiven Umgebungen häufig auf weniger leistungsstarke Dauermagnete zurückgegriffen.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen. Diese Aufgabe wird durch einen Polträger für einen elektro-mechanischen Energiewandler gelöst, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- – einen Träger;
- – zumindest ein Dauermagnet, bevorzugt ein Seltenerden-Magnet;
- – eine gasdichte Hülse,
wobei der zumindest eine Dauermagnet umfänglich an dem Träger angeordnet ist und gasdicht zwischen der gasdichten Hülse und dem Träger eingefasst ist.
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Der Polträger umfasst zumindest einen Dauermagneten, mittels dessen in Wechselwirkung mit einem Wechselstromfeld eine Relativbewegung zwischen dem Polträger und einem Induktionsträger einleitbar ist oder mittels dessen Relativbewegung ein Stromfluss erzeugbar ist. Die Relativbewegung zwischen dem Polträger und dem Induktionsträger kann dabei linear translatorisch, zum Beispiel in einem Schüttelgenerator, oder rotatorisch, zum Beispiel in einem Synchronmotor, umgesetzt werden. Das kraftübertragende Bauteil des Polträgers ist der Träger für den zumindest einen Dauermagneten, der in der translatorischen Anwendung einen Kolben oder Läufer bildet und in der rotatorischen Anwendung ein Polrad oder einen Anker bildet, oder aber einen starren Ständer beziehungsweise Stator. Der Träger ist somit zum Übertragen einer mechanischen Last, zum Beispiel einer Zug-/Druckkraft oder eines Drehmoments beziehungsweise der Widerstandskraft, eingerichtet. In einer Ausführungsform als Welle ist diese rotationssymmetrisch ausgebildet, und beispielsweise durch Drehen oder Schmieden hergestellt.
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Weiterhin ist zumindest ein Dauermagnet vorgesehen, welcher einen Positivpol und einen Negativpol ausbildet. Durch die Magnetisierung wird bei einer relativen Bewegung des zumindest einen Dauermagnets in einem elektrischen Feld eine Energie induzierbar. Bevorzugt ist eine Mehrzahl von Dauermagneten vorgesehen. Besonders bevorzugt ist der zumindest eine Dauermagnet derart geformt, dass dieser umfänglich anliegend an dem Träger anordbar ist. Beispielsweise ist der Dauermagnet in einer Nut oder als Halbschalenelement an dem Träger positioniert.
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Zum Schutz des zumindest einen Dauermagnets ist eine gasdichte Hülse vorgesehen, die den zumindest einen Dauermagneten, bei einer Welle radial außen und bei einem Stator radial innen, umgibt und derart mit dem Träger verbunden ist, dass der zumindest eine Dauermagnet insgesamt gasdicht umschlossen ist. Hierzu ist der Werkstoff des Trägers und des Verbindungsmittels zwischen dem Träger und der gasdichten Hülse ebenfalls gasdicht ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die gasdichte Hülse aus Metall gebildet. Dadurch ist die gasdichte Hülse besonders robust gegen ein Eindringen von einem aggressiven Medium, bevorzugt Wasserstoff. Somit kann der Dauermagnet unbehandelt verwendet werden. Ein Kontakt mit einem aggressiven Medium ist durch den hier vorgeschlagenen Polträger insbesondere ausgeschlossen. Im Zwischenraum zwischen dem Träger und der gasdichten Hülse ist bevorzugt ein Vakuum, eine Schutzgasatmosphäre oder ein anderes neutrales, bevorzugt den zumindest einen Dauermagnet positionierendes und/oder (insbesondere chemisch und/oder mechanisch) stabilisierendes Füllmaterial angeordnet. Die gasdichte Hülse ist bevorzugt durch Schweißen, Kleben oder Klemmen, zum Beispiel mittels eines gasdichten Schneidrings, mit dem Träger gasdicht verbunden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Polträgers ist der Träger als eine um eine Rotationsachse rotierbare Welle ausgebildet und weiterhin ist eine Stützhülse aus einem faserverstärkten, bevorzugt kohlefaserverstärkten, Werkstoff vorgesehen, welche den zumindest einen Dauermagnet umschließt und zur Aufnahme von einer von dem zumindest einen Dauermagneten ausgehenden Fliehkraft eingerichtet ist, wobei die Stützhülse bevorzugt die gasdichte Hülse umgibt.
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Bei dieser Ausführungsform bildet der Polträger ein Polrad, Anker oder Rotor eines elektrischen Drehmomentwandlers. Die Welle ist um ihre Rotationsachse rotierbar, bevorzugt mit hohen Drehzahlen von bis zu mehreren 105 U/min [mehreren zehntausend Umdrehungen pro Minute]. Infolge der hohen Drehzahlen und der in der Regel hohen Dichte von Dauermagneten wird eine erhebliche Fliehkraft erzeugt. Die gasdichte Hülse ist bevorzugt nicht dazu eingerichtet, eine solche Fliehkraft aufzunehmen, sondern wird bevorzugt in radialer Richtung möglichst dünn gestaltet, damit der meist magnetisierbare Werkstoff der gasdichten Hülse das Magnetfeld möglichst wenig stört. Die Stützhülse ist bevorzugt aus einem besonders festen und gering beziehungsweise nicht magnetisierbaren Material gebildet, welches zugleich magnetisch gut leitend ist und umschließt den zumindest einen Dauermagneten umfänglich, so dass die Fliehkraft als Zugspannung in der Stützhülse aufgenommen wird. Ein Kohlefaserverbundwerkstoff eignet sich dafür besonders, weil er eine hohe Zugfestigkeit, Steifigkeit und geringe Magnetisierbarkeit bei gleichzeitig guter magnetischer Leitung aufweist. Bevorzugt ist die Stützhülse als festigkeitsoptimierte Wicklung direkt auf der Welle (nass oder als Prepreg) gefertigt. Um den Radius der der Fliehkraft unterliegenden Bauteile gering zu halten, ist die Stützhülse bevorzugt radial außerhalb der gasdichten Hülse angeordnet. Zudem wird die gasdichte Hülse beziehungsweise das Verbindungsmittel zur Welle durch die Kraftaufnahme mittels der Stützhülse ebenfalls entlastet. Eine Anordnung in umgekehrter Reihenfolge der beiden Hülsen ist jedoch auch umsetzbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Polträgers ist die gasdichte Hülse aus einem mit dem Träger verschweißbaren Material gebildet.
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Durch die Wahl eines verschweißbaren Materials ist die Herstellung einer gasdichten Kapselung des zumindest einen Dauermagneten besonders einfach und kostengünstig. Besonders bevorzugt ist der Träger und die gasdichte Hülse aus Stahl hergestellt, wobei der Stahl, zumindest des Trägers, eine möglichst geringe Magnetisierbarkeit aufweist und/oder die gasdichte Hülse möglichst dünn gefertigt ist. Die Dicke der gasdichten Hülse ist vorteilhafterweise nur für eine zuverlässige Gasdichte und eine einfache Handhabung bei der Fertigung und Montage, insbesondere fürs Schweißen, ausgelegt. Die gasdichte Hülse ist bevorzugt im Bereich des zumindest einen Dauermagneten besonders dünn ausgeführt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Polträgers umfasst der Träger einen ersten Flansch und der zumindest eine Dauermagnet ist mit dem ersten Flansch axial zur Anlage bring bar.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Montage des Polträgers besonders einfach. Insbesondere ist es so möglich, den zumindest einen Dauermagneten und/oder zumindest eine der Hülsen durch Aufschieben auf die Welle beziehungsweise durch Einschieben in einen Stator zu montieren. Zudem ist in einer bevorzugten Ausführungsform die gasdichte Hülse am ersten Flansch angeschweißt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Polträgers umfasst der Träger einen zweiten Flansch und der zumindest eine Dauermagnet ist zwischen dem ersten Flansch und dem zweiten Flansch axial fixiert anordbar, und wobei die gasdichte Hülse über den ersten Flansch und über den zweiten Flansch gasdicht verschweißt ist.
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Bei dieser Ausführungsform des Trägers ist die gasdichte Hülse als reine Mantelform ausbildbar. Somit ist eine besonders einfache Konstruktion möglich. Der zumindest eine Dauermagnet ist zwischen den Flanschen einsetzbar, wobei der zumindest eine Dauermagnet allein oder mittels eines weiteren Positionierelements, zum Beispiel ein Keilelement, axial positioniert ist. Die gasdichte Hülse ist über die Flansche aufschiebbar und mit den Flanschen umlaufend gasdicht verschweißbar. Anschließend ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Stützhülse aufgeschoben. Besonders bevorzugt sind die hierin bezeichneten Schweißungen per Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen erzeugt, die eine sehr gut reproduzierbare Gasdichtigkeit ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Energiewandler zum Wandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt vorgeschlagen, welcher zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- – zumindest einen Induktionsträger mit zumindest einer Induktionsspule;
- – zumindest einen Polträger gemäß einer Ausführungsform der obigen Beschreibung;
wobei durch eine Relativbewegung zwischen dem Polträger und dem Induktionsträger Stromfluss erzeugt wird oder durch Stromfluss in der Spule eine Relativbewegung zwischen dem Polträger und dem Induktionsträger verursacht wird.
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Der hier vorgeschlagene Energiewandler ist bevorzugt ein Generator oder ein Elektromotor. Als Generator ist der Energiewandler als rotatorischer Generator oder als Schüttelgenerator ausführbar. Der Induktionsträger oder der Polträger ist somit in einer Ausführungsform als Ständer zu bezeichnen. Der Induktionsträger umfasst ein Spulenpaket, welches durch entsprechende Bestromung über das Magnetfeld des Polträgers eine Relativbewegung induziert beziehungsweise in dem ein Strom infolge der Relativbewegung zum Polträger induzierbar ist. Aufgrund des hier vorgeschlagenen Polträgers ist der Energiewandler in einer für den zumindest einen Dauermagneten schädlichen Umgebung, insbesondere in einer Umgebung mit hohen Wasserstoffanteil, einsetzbar.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, die bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Es wird dargestellt in
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1: ein elektro-mechanischer Energiewandler; und
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2: ein Schüttelgenerator.
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In 1 ist ein elektro-mechanischer Energiewandler 2 mit einem drehmomentübtragenden Polträger 1 in einem Stator 10 dargestellt. Der Stator 10 weist eine Induktionsspule 11 auf, die beispielsweise durch eine Rotation des Polträgers 1 um seine Rotationsachse 6 Wechselstrom generiert oder mittels Wechselstrom eine Rotation des Polträgers 1 um die Rotationsachse 6 verursacht. Der Polträger weist eine Mehrzahl von Dauermagneten 4 auf, die beispielsweise halbschalenförmig an dem als Welle ausgebildeten Träger 3 positioniert sind. Mittels des ersten Flansches 8 und des zweiten Flansches 9 sind die Dauermagnete 4 axial positioniert, wobei hier weiterhin Füllstoffe oder ein Keilelement zur axialen Fixierung vorgesehen sein können. Die gasdichte Hülse 5 umschließt die Dauermagnete 4 umfänglich und ist hier mittels einer umlaufenden Schweißnaht 12 am ersten Flansch 8 und am zweiten Flansch 9 einen gasdichten Zwischenraum bildend mit dem Träger 3 verbunden. Die gasdichte Hülse 5 ist weiterhin von einer Stützhülse 7 umgeben, die beispielsweise als Kohlefaserbandage ausgebildet ist.
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In 2 ist ein elektro-mechanischer Energiewandler 2 als Schüttelgenerator dargestellt, wobei der Polträger 1 hier entlang der Linearachse 13 hin und her bewegbar ist und so in das Induktionsfeld des Stators 10 mit der Induktionsspule 11 hinein und aus dem Induktionsfeld heraus führbar ist. Durch die lineare Relativbewegung beziehungsweise die Zunahme und Abnahme der Überdeckung wird elektrische Energie gewonnen. Die Permanentmagnete 4 sind hier jeweils zwischen Flanschen, nämlich dem ersten Flansch 8, dem zweiten Flansch 9 beziehungsweise den Zwischenflanschen 14 angeordnet. Hierdurch wird die mechanische Last der Linearbewegung nicht auf die benachbarten Dauermagnete 4 übertragen. Auch hier ist die gasdichte Hülse 5 mittels Schweißnähten 12 gasdicht mit dem Träger 3 verbunden. Auf eine Stützhülse 7 (vergleiche 1) wird in diesem Beispiel verzichtet, weil die in Umfangsrichtung und radial wirkende Last relativ gering ist.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Polträger ist ein Einsatz eines Energiewandlers in einem aggressiven Medium, insbesondere in einer Wasserstoff-Umgebung, möglich. Bezugszeichenliste
| 1 | Polträger |
| 2 | Energiewandler |
| 3 | Träger |
| 4 | Dauermagnet |
| 5 | gasdichte Hülse |
| 6 | Rotationsachse |
| 7 | Stützhülse |
| 8 | erster Flansch |
| 9 | zweiter Flansch |
| 10 | Stator |
| 11 | Induktionsspule |
| 12 | Schweißnaht |
| 13 | Linearachse |
| 14 | Zwischenflansch |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Rolf Fischer (2013), Elektrische Maschinen, 16. Auflage, München: Carl Hanser Verlag [0002]
- Rainer Hagl (2013), Elektrische Antriebstechnik, München: Carl Hanser Verlag [0002]
- Ekkehard Bolte (2012), Elektrische Maschinen, Heidelberg: Springer Science + Buisness Media [0002]
