DE102014224152A1

DE102014224152A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen

Info

Publication number: DE102014224152A1
Application number: DE102014224152.9A
Authority: DE
Inventors: Achim Gommel; Rolf Müller; Thomas Riemay; Peter Wieske
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen mit einer Antriebswelle (2) zur Ein- und/oder Ausleitung eines Drehmoments, einem mit der Antriebswelle (2) mechanisch verbundenen hohlzylindrischen Außenrotor (3), einem koaxial innerhalb des Außenrotors (3) angeordneten, mit diesem magnetisch verbundenen Innenrotor und einer mit dem Innenrotor mechanisch verbundenen Abtriebswelle zum Übertragen der Antriebsarbeit auf einen Abtrieb. Eine kompaktere Bauform erschließt sich durch eine koaxial zu der Antriebswelle (2) und der Abtriebswelle angeordnete hohlzylindrische Hülse (6), welche den Innenrotor mit der Abtriebswelle oder den Außenrotor (3) mit der Antriebswelle (2) kraftschlüssig verbindet.
Die Erfindung betrifft ferner eine Magnetkupplung, ein Magnetgetriebe, einen Elektromotor sowie einen Generator mit einer solchen Magnetkupplung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen, beispielsweise eine Magnetkupplung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verwendungen der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 10 bis 13.
Unter den Sammelbegriff der Magnetkupplung wird im Maschinenbau eine Reihe von Kupplungsarten gefasst, deren Funktion auf der Wirkung eines Magnetfeldes beruht. Zu diesen Kupplungsarten zählt neben der Elektromagnetkupplung, Magnetpulverkupplung oder magnetorheologischen Fluid-Kupplung insbesondere die sogenannte berührungslose Magnetkupplung, deren vorrangiges Einsatzfeld die Übertragung mechanischer Drehmomente durch die Wandungen hermetisch geschlossener Behälter darstellt. Der Stand der Technik umfasst dabei sowohl elektrisch erregte als auch beidseitig dauermagnetische berührungslose Magnetkupplungen, die in der Regel aus zwei Rotoren bestehen.
Die Vorrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch einen Rotor eines Elektromotors, Generators oder magnetischen Getriebes umfassen und beispielsweise im Rahmen einer Pumpenanwendung eingesetzt werden. Der Begriff des Elektromotors umfasst dabei gleichermaßen BLDC-, DC-, Asynchron-, Synchron-, SR-, Reluktanz- und andere Motoren.
Bei Rotoren erweist sich grundsätzlich die beträchtliche Fliehkraft, welcher die in schnelle Drehung versetzten Dauermagneten im Betrieb ausgesetzt sein können, als problematisch. Unter diesem Gesichtspunkt wurde die Integration eines Fliehkraftschutzes in den Innenrotor einer gattungsgemäßen, als Magnetkupplung ausgebildeten Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen vorgeschlagen. Dabei wird in Kauf genommen, dass der von einem derartigen Fliehkraftschutz eingenommene Bauraum für die Aufnahme von Elektroblech oder Dauermagneten letztlich entfällt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen bereitzustellen, welche bei kompakten Abmessungen den gebotenen Anforderungen an Drehmomentübertragung und Fliehkraftschutz selbst bei hoher Drehgeschwindigkeit genügt. Die Erfindung stellt sich ferner die Aufgabe, eine Magnetkupplung, ein Magnetgetriebe, einen Elektromotor sowie einen Generator mit den entsprechenden Leistungsmerkmalen zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Magnetkupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 10, ein Magnetgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 11, einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie einen Generator mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Der Erfindung fußt demnach auf dem Grundgedanken, den angestrebten Fliehkraftschutz mittels einer koaxial zu Antriebs- und Abtriebswelle angeordneten Hülse bereitzustellen, die zugleich einen kraftschlüssigen Zusammenhalt zwischen einem der Rotoren und der sie tragenden Welle gewährleistet. Die Integration der Funktionen des Fliehkraftschutzes sowie der Welle-Nabe-Verbindung in einem einzigen konstruktiven Element ermöglicht die Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf kleinstem Bauraum oder – wahlweise – die Nutzung des freigewordenen Volumens zur leistungserhöhenden Vergrößerung der Magneten.
Um die magnetische Kraftwirkung zwischen Innen- und Außenrotor dabei nicht zu beeinträchtigen, empfiehlt sich zur Herstellung der Hülse die Verwendung eines anti- oder paramagnetischen, jedenfalls nicht stabil ferromagnetischen Werkstoffs. In Betracht kommen neben dem üblicherweise als paramagnetisch eingeordneten Aluminium unterschiedlichste austenitische Stähle, vorzugsweise Edelstähle, sowie Kohlenstofffasern und entsprechend verstärkte Kunststoffe (CFK, CFRP), die sich durch ihre hohe Wärmeleitfähigkeit für thermisch beanspruchte Kupplungen eignen.
Die Verwendung derartiger sogenannter Carbonfasern ermöglicht insbesondere die Fertigung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Leichtbauweise. Insofern ist an das Aufwickeln einer solchen Faser um Teile der An- oder Abtriebswelle, des von dieser getragenen Innen- oder Außenrotors sowie etwaiger weiterer zu verbindender Bauelemente zu denken. Wird eine solche Wicklung erwärmt, so bewirkt der in Längsrichtung negative Wärmeausdehnungskoeffizient der Kohlenstofffaser deren gleichzeitige Verkürzung sowie Verdickung zur Gestalt einer Hülse.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hülse dabei mit den von ihr umschlossenen Komponenten im Wege des Pressfügens zu einem kraftschlüssigen Verbund komprimiert, wie er in der Fügetechnik als zylindrischer Pressverband bezeichnet wird. Insbesondere ein sogenannter Querpressverband, der durch das Erwärmen der Hülse und/oder das Kühlen von Welle und Rotor, deren Einschieben in die Hülse sowie einen anschließenden Temperaturausgleich entsteht, verleiht der erfindungsgemäßen Hülse bei moderatem Kraftaufwand einen festen Sitz.
Die ein- oder beidseitige Lagerung der in der Hülse aufgenommenen Welle ergänzt die beschriebenen Ausgestaltungen um eine den anwendungsspezifischen Erfordernissen angepasste Führung und verhindert unerwünschte Bewegungen der Rotoranbindung.
Als vorteilhaft kann sich zudem die Ergänzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung um einen koaxial zwischen Innen- und Außenrotor angeordneten Zwischenring mit magnetischen Polstiften erweisen. Ein derartiges ringförmiges Umformerelement verhilft der Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen gleichsam zu der zusätzlichen Funktion eines Übersetzungsgetriebes. Das so gebildete Magnetgetriebe findet sein Einsatzfeld vorrangig in einem begrenzten Leistungsbereich von beispielsweise bis zu 20 kW, bei denen eine mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu übertragende beträchtliche Drehzahl mit einem vergleichsweise geringen Drehmoment von oftmals weniger als 10 Nm einhergeht. Die somit erforderliche Übersetzung von Drehzahl und Drehmoment lässt sich mit der Hilfe des beschriebenen Zwischenrings erreichen.
Ein besonders prädestiniertes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt auf dem Gebiet der Magnetkupplungen, Magnetgetriebe, Elektromotoren sowie Generatoren, beispielsweise im Rahmen der Wärmerückgewinnung aus Verbrennungsabgasen (sog. WHR, waste heat recovery), wo sie eine Ablösung der verschleißanfälligen und wartungsintensiven dynamischen Gleitringdichtungen durch eine statische Dichtkappe zwischen Innen- und Außenrotor gestattet. Eine entsprechende Magnetkupplungspumpe beispielsweise zeichnet sich neben der zuverlässigen Abdichtung des zu fördernden Arbeitsfluids, etwa einer geeigneten Flüssigkeit, gegenüber dem mit dem Außenrotor mechanisch verbundenen Pumpenantrieb durch den zusätzlichen Vorteil einer Sicherung gegen etwaige Überlastungszustände aus, welche durch den sich einstellenden Schlupf zwischen magnetisch verbundenem Innen- und Außenrotor ausgeglichen werden können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 einen prinzipiellen Querschnitt des Innenbereichs einer Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 einen Längsschnitt der vom Querschnitt der 1 umfassten Einzelbestandteile der Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen gemäß der ersten Ausführungsform,
3 einen Längsschnitt des gesamten Innenbereichs der Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen gemäß der ersten Ausführungsform in einem zusammengesetzten Zustand,
4 einen der 3 entsprechenden Längsschnitt des Innenbereichs einer Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
5 einen entsprechenden Längsschnitt des Innenbereichs einer Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen gemäß einer dritten Ausführungsform,
6 einen entsprechenden Längsschnitt des Innenbereichs einer Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen gemäß einer vierten Ausführungsform,
7 einen Längsschnitt des Außenbereichs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen, und
8 einen vereinfachten Längsschnitt der von der 7 erfassten Einzelteile.
Die 1 bis 3 illustrieren den konstruktiven Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen, welche beispielsweise als Magnetkupplung ausgebildet ist, anhand ihres Innenbereichs, der vorrangig zur Aufnahme des im Querschnitt der 1 deutlich erkennbaren dauermagnetischen Innenrotors 4 dient. Der gezeigte Innenrotor 4 umfasst dabei eine umlaufende Anordnung unterschiedlich polarisierter Dauermagnete sowie einen weichmagnetischen, beispielsweise eisernen Kern, der in der Funktion eines Joches den notwendigen Rückschluss des Magnetflusses sichert.
Die konzentrisch zum Innenrotor 4 angeordnete, im Wesentlichen hohlzylindrische Hülse 6 offenbart ihre Wirkungsweise besonders in der achsparallelen Schnittebene der 2, welche die der Vorrichtung 1 zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen zugrunde liegenden Einzelbestandteile zunächst noch getrennt wiedergibt. Erkennbar wird somit die in Verlängerung des Innenrotors 4 bereits koaxial zu diesem ausgerichtete, zur Verbindung mit einem nicht gezeigten Abtrieb dienende Abtriebswelle 5, wobei sich Innenrotor 4 und Abtriebswelle 5 hinsichtlich ihres Durchmessers weitgehend gleichen. Als dritte Hauptkomponente umfasst 2 die nicht magnetisierbare, hohlzylindrische Hülse 6, deren Innendurchmesser annähernd dem gemeinsamen Außendurchmesser von Innenrotor 4 und Abtriebswelle 5 entspricht. Durch ihre gegenüber dem Innenrotor 4 größere Länge lässt sich die Hülse 6 entlang der in 2 markierten Bewegungsrichtung vollständig über den Innenrotor 4 und zusätzlich stirnseitig geringfügig auf die Abtriebswelle 5 aufschieben, wodurch sich im Ergebnis der in 3 dargestellte Pressverband 4, 5, 6 ergibt. Ein außerhalb der Hülse 6 an der Abtriebswelle 5 angeordnetes erstes Radiallager 8 stabilisiert die an diesem Pressverband 4, 5, 6 beteiligte Abtriebswelle 5 entlang ihres aus der Vorrichtung 1 zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen heraus ragenden Abschnitts.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen gemäß ihrer in 4 aufgegriffenen zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von jener der 1 bis 3 durch die stirnseitig auf einer der Abtriebswelle 5 abgewandten Seite des Innenrotors 4 an diesen angrenzenden Deckscheibe 7, welche in dieser Ausgestaltung ebenfalls vom Pressverband 4, 5, 6, 7 umfasst ist. Die im Endbereich der Hülse 6 aufgenommene Deckscheibe 7 verleiht dem Pressverband 4, 5, 6, 7 in dieser Gestaltungsvariante eine bündige Abschlussfläche und somit eine insgesamt weitestgehend zylindrische Form.
Anders verhält es sich im Falle der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen, welche nunmehr anhand des Längsschnitts gemäß 5 erläutert sei. Insofern ist hier in Verlängerung der Abtriebswelle 5 ein zweites Radiallager 10 an einer integral mit der Deckscheibe 7 ausgebildeten, bezüglich der Abtriebswelle 5 im Durchmesser reduzierten Verlängerungswelle 9 vorgesehen, welche die koaxiale Gesamtanordnung von Abtriebswelle 5 und Verlängerungswelle 9 zusätzlich führt. Demgegenüber weist die durch die unterschiedlichen Durchmesser des Innenrotors 4 und der Abtriebswelle 5 geprägte vierte Ausführungsform gemäß 6 ein grundsätzlich neues konstruktives Element auf. Zur Anpassung der im Vergleich zum Innenrotor 4 deutlich dünneren Abtriebswelle 5 an den Pressverband 4, 5, 6 ist hier ein die Abtriebswelle 5 innerhalb der Hülse 6 umschließender hohlzylindrischer Adapter 11 in Form eines Drehteils vorgesehen, dessen zentrale Bohrung näherungsweise dem Außendurchmesser der Abtriebswelle 5 gleicht. Die radiale Ausdehnung des Adapters 11 verleiht diesem indes annähernd einen der Abtriebswelle 5 der 1 bis 5 entsprechenden Außendurchmesser und fügt sich somit weitgehend hohlraumfrei in den resultierenden Pressverband 4, 5, 6 ein.
7 stellt den vorangehenden Quer- und Längsschnitten der Innenbereiche erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1 zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen einen entsprechenden Längsschnitt ihres gemeinsamen Außenbereichs gegenüber. Als Kernelement dieses Außenbereichs präsentiert sich insoweit ein hohlzylindrischer Außenrotor 3 innerhalb einer umschließenden Hülse 6, die den Außenrotor 3 mit der glockenförmig ausgebildeten Antriebswelle 2 zu einem Pressverband 2, 3, 6 zusammenfügt. Der Aufbau dieses Pressverbands 2, 3, 6 sei auch hier anhand der in 8 gezeigten Prinzipdarstellung seiner Einzelbestandteile diskutiert, welche die Glockenform der Antriebswelle 2 lediglich stilisiert in Gestalt eines im Längsschnitt T-förmigen Ansatzstücks wiedergibt. In diesem Szenario entspricht der Außendurchmesser des Außenrotors 3 im Wesentlichen jenem der stirnseitigen Scheibe der Antriebswelle 2, sodass sich auch in dieser Konfiguration ein Kraftschluss zwischen Antriebswelle 2, Außenrotor 3 und beide Komponenten umschließender Hülse 6 einzustellen vermag.

Claims

Vorrichtung (1) zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen mit – einer Antriebswelle (2) zur Ein- und/oder Ausleitung eines Drehmoments, – einem mit der Antriebswelle (2) mechanisch verbundenen hohlzylindrischen Außenrotor (3), – einem koaxial innerhalb des Außenrotors (3) angeordneten, mit diesem magnetisch verbundenen Innenrotor (4) und – einer mit dem Innenrotor (4) mechanisch verbundenen Abtriebswelle (5) zum Übertragen der Antriebsarbeit auf einen Abtrieb, gekennzeichnet durch eine koaxial zu der Antriebswelle (2) und der Abtriebswelle (5) angeordnete hohlzylindrische Hülse (6), welche den Innenrotor (4) mit der Abtriebswelle (5) oder den Außenrotor (3) mit der Antriebswelle (2) kraftschlüssig verbindet.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (6) aus einem anti- oder paramagnetischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium, austenitischem Stahl oder einem vorzugsweise kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff besteht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (6) mindestens eine Wicklung einer Kohlenstofffaser umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen die Hülse (6), die Abtriebswelle (5) und den Innenrotor (4) umfassenden zylindrischen Pressverband (4, 5, 6), insbesondere Querpressverband.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressverband (4, 5, 6, 7) ferner eine stirnseitig an dem Innenrotor (4) angeordnete Deckscheibe (7) zum Kapseln des Innenrotors (4) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch ein außerhalb der Hülse (6) radial an der Abtriebswelle (5) angeordnetes erstes Radiallager (8) zum Lagern der Abtriebswelle (5).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine in Verlängerung der Abtriebswelle (5) mit der Deckscheibe (7) mechanisch verbundene Verlängerungswelle (9) und ein radial an der Verlängerungswelle (9) angeordnetes zweites Radiallager (10) zum Lagern der Verlängerungswelle (9).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch einen die Abtriebswelle (5) innerhalb der Hülse (6) umschließenden hohlzylindrischen Adapter (11), vorzugsweise in Gestalt eines Drehteils, zum Anpassen der Abtriebswelle (5) an den Pressverband (4, 5, 6, 7), wobei die Hülse (6) den Innenrotor (4) über den Adapter (11) mit der Abtriebswelle (5) verbindet.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen koaxial zwischen dem Innenrotor (4) und dem Außenrotor (3) angeordneten Zwischenring mit mindestens einem magnetischen Polstift zum Übersetzen einer Bewegungsgröße, insbesondere einer Drehzahl, zwischen dem Innenrotor (4) und dem Außenrotor (3), wobei der Zwischenring den Innenrotor (4) magnetisch mit dem Außenrotor (3) verbindet.
Verwendung einer Vorrichtung (1) zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Magnetkupplung.
Verwendung einer Vorrichtung (1) zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Magnetgetriebe.
Verwendung einer Vorrichtung (1) zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Elektromotor.
Verwendung einer Vorrichtung (1) zur berührungslosen Übertragung von Drehbewegungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Generator.