DE102019008752A1

DE102019008752A1 - Hybrid-Reluktanz-Planetengetriebe

Info

Publication number: DE102019008752A1
Application number: DE102019008752.6A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft neuartige Hybrid-Reluktanz-Planetengetriebe verschiedener Bauweisen, bei denen Magnete und/oder Elektrospulen zusammen mit magnetisierbaren Stoffen wie Eisen, Kobalt, Nickel, Elektroblech usw. eingesetzt werden, um mittels der Reluktanzkraft (Maxwell'scher Zug) oder Magnetkraft für den indirekten berührungslosen magnetischen Kraftschluss, über zwei Luftspalte und den zwischen diesen liegenden „Statorpolen“ hinweg, zwischen den Polen von den Planetenpolrädern und den Polen vom Sonnenpolrad zu sorgen. Eine möglichst große Zahl von Planetenrädern mit möglichst kleinen Durchmessern und, wenn möglich, hoher Polzahl, sind alle spielfrei miteinander und in einer bestimmten Phasenlage zueinander mechanisch gekoppelt und werden angetrieben. Der Abtrieb erfolgt über die Welle des Sonnenrades, deren Polräder einen möglichst großen Durchmesser, im Verhältnis zum Durchmesser der Planetenpolräder, aufweisen. Für die Polräder des Sonnenrades als auch für die Polräder der Planetenräder kommen fast alle bekannten Bauweisen von Polrädern von Reluktanz- bzw. Synchronmaschinen in Frage.Mittels Zusatzvorrichtungen lässt sich das Getriebe, je nach Ausbildung der Erregung, als regelbaren oder als nur schaltbaren Motor betreiben.

Description

Die Erfindung betrifft neuartige Getriebebauweisen, die dem technischen Gebiet der Magnetgetriebe zugeordnet werden können.
Stand der Technik
Als Stand der Technik kann nicht auf ein Reluktanzgetriebe verwiesen werden. Für ein Magnetgetriebe wird auf das Dokument EP2874293A1 verwiesen. Die hier veröffentlichte Technik macht Gebrauch von Permanentmagneten auf allen Rädern des Getriebes, die sich im Luftspalt unmittelbar gegenüber liegen, um so für einen möglichst großen Kraftschluss zu sorgen. Für den magnetischen Rückschluss sorgt hier die Halterung der Magnete beim Hohlrad. Von keiner Erfindung ist dem Verfasser bekannt, dass bei einem Magnetgetriebe Magneteisen (Blechpakete) bzw. Reluktanzkräfte zur Anwendung kommen. Es sind bei der im o.a. Dokument vorgestellten Bauweise und allen vergleichbaren Getrieben, konstruktionsbedingt, immer nur ganz wenige Magnete eines Rades gleichzeitig im Eingriff.
Daher ist der Ausnutzungsfaktor für die Magnete nach diesem Stand der Technik relativ niedrig.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hybrid-Reluktanz-Planetengetriebe so zu gestalten, dass die Funktionalität eines Elektromotors (Reluktanzmotor bzw. Synchronmotor) nachempfunden wird, wobei die Elektrospulen (konzentrierte Ständerwicklungen) durch rotierende Magnetfelder der Planetenräder ersetzt werden, mit dem Ziel, einen mechanischen bzw. elektromechanischen Leistungsverstärker zu ermöglichen. Außerdem sollte der Einsatz an Magneten auf ein Minimum reduziert oder ganz darauf verzichtet werden können. Für eine hohe Kraftübertragung sollte eine möglichst große Luftspaltfläche realisierbar sein.
Lösung
Die Aufgabe kann durch verschiedene Konzepte gelöst werden: bipolare Lösungen und unipolare Lösungen. Im folgenden werden zunächst unipolare Lösungen beschrieben.
Unipolare Lösungen

1a) Siehe hierzu die (1, 1a, 1b, 2, 2a, 2b und 2c). Das „Sonnenrad“ weist zwei aus Elektroblech o.ä. gefertigte Polräder (2a) und (2b) auf, die jeweils wie die Läuferräder einer Reluktanzmaschine mit ausgeprägten Polen ausgebildet sind. Die beiden Polräder des „Sonnenrades“ sind mit einem definierten axialen Abstand voneinander auf einer Welle (1), der Hauptantriebswelle, angeordnet und weisen bezüglich ihrer Pole zueinander keinen radialen Winkelversatz auf. Auf dem Sonnenrad können Magnete (27) zwischen den Polrädern vorhanden sein (2a) oder optional auf den Polen selber (2b), die das eine Rad (2a) zum Nordpolrad machen und das andere (2b) zum Südpolrad. Dieses kann optional auch mittels einer konzentrisch und berührungslos zwischen den Polrädern angeordneten Elektrospule (10a) erreicht werden (2), wobei dann ein magnetischer Rückschlussring (7) zwischen den beiden Polrädern vorhanden sein muss. Die Pollücken am Umfang des Sonnenrades sind annähernd gleichgroß wie die Pole selber. (Pollücke ~ Polweite). 1b) Um das Sonnenrad herum sind vorzugsweise mindestens zwei, besser drei und mehr Planetenradwellen (12) gleichmäßig verteilt angeordnet (1), um von der magnetischen Flussführung her ein Drehfeld zu ermöglichen, wie man es von Drehstrommaschinen her kennt, welche ebenfalls, wie das Sonnenrad, mit jeweils zwei Polrädern (11a) und (11b) (2c) aus Blechpaketen mit ausgeprägten Polen versehen sind und auch den gleichen axialen Abstand voneinander haben, wie es dem axialen Abstand zwischen den beiden Polrädern des Sonnenrades entspricht. Diese Planetenräder sind jeweils von eigenen nutenbehafteten zylindrischen Statorblechpaketen (4a/b) (2) umgeben, zu denen die Polräder (11a/b) einen kleinen Luftspalt (6) aufweisen. Die Anzahl der Nuten bzw. Polen dieser Statorblechpakete entspricht der Anzahl der Pole der Planetenräder. Nutbreite ~ Polbreite gilt für die Planetenräder als auch für deren Statorblechpakete. Diese Statorpakete (4) der Planetenräder weisen nun zu der Sonnenradseite hin einen ausgeprägten Statorpol (25) für das Sonnenrad auf, der in etwa dieselbe Polweite hat wie die Pole der Sonnenräder und wo sich der Luftspalt (5) befindet. Die Planetenräder können optional oder zusätzlich zu dem Sonnenrad, in gleicher Weise wie dieses durch Magnete oder jeweils mittels einer Spule (10b) (2c) unipolar magnetisiert werden. Die Nordpol- Planetenräder sind so ausgerichtet, dass sie mit dem Südpolrad des Sonnenrades über einen Statorpol (25) im Eingriff stehen. Damit ist gewährleistet, dass der magnetische Fluss zirkulieren kann und beispielsweise von einem Nordpol-Planetenrad (11b) über Luftspalt (6), weiter über Statorpol (25) von Blechpaket (4b) zum Luftspalt (5) und weiter zum Südpol- Sonnenrad (2b) gelangen kann. Von dort fließt er weiter über Magnete (27) (S/N) bzw. magnetischen Rückschluss (7) (2c) zum Nordpol- Sonnenrad (2a) und weiter über zweiten Luftspalt (5), zweiten Statorpol (25) und zweiten Luftspalt (6) zum Südpol- Planetenrad (11a), Planetenmagnete bzw. magnetische Rückschlusseisen (8) und wieder zurück zum Ausgang, dem Nordpol-Planetenrad (11b). Der gleiche magnetische Fluss zirkuliert also jeweils über vier Luftspalte, zwei Ständerpole (25), zwei Sonnen -Polräder und zwei Planeten- Polräder von einer Planetenwelle. Alle Planetenräder sind miteinander über beispielsweise Zahnriemen (9) o.ä. in einer definierten Winkellage zueinander fest verbunden, um einen „Drehfluss“ zu erreichen, der erst dann den gewünschten Betrieb der Maschine ermöglicht. Der gesamte magnetische Fluss muss bei dieser Bauweise immer über das zwischen den Polrädern (2a/b) liegende Rückschlusseisen (7) oder die an gleicher Stelle angeordneten Magnete (27) fließen. Die Planetenwellen (12) können jetzt alle synchron von einer Antriebsmaschine jedweder Art angetrieben werden. Die Zahl der Pole je Planetenrad kann gerade oder ungerade sein. Gleiches gilt für die Zahl der Pole vom Sonnenrad.
2) Zur Funktionsweise (Siehe 1):
- Der gesamte Fluss von einem Sonnenradpol kann, wenn der Überlappungsfaktor zum Statorpol (SP) gleich 1 ist, über den Luftspalt (5) und über das Statorpaket (4) zu allen vier Polen des zugehörigen Statorpaketes gelangen. Der gesamte Fluss wird durch das Statorpaket (4) gleichmäßig auf alle seine vier Pole verteilt, um dann über die vier Luftspalte (6) auf die vier Pole der Planetenräder (11) überzugehen. Dadurch, dass immer alle Pole der Planetenräder bei der Flussführung beteiligt sind, können diese Planetenräder bezüglich des Durchmessers viel kleiner gehalten werden als die Sonnenpolräder. Es muss sichergestellt sein, dass das Rückschlusseisen (8) von den Planetenrädern vom Querschnitt her ebenfalls den ganzen Fluss eines Sonnenradpoles führen kann. Da man es hier, wegen der Pollücken, mit einem pulsierenden Fluss zu tun hat, muss der Werkstoff für die Rückschlusseisen sorgfältig ausgewählt werden. (Z.B. Ringbandkerne aus nicht orientiertem Elektroblech.) Während ein Planetenrad gerade den max. Fluss führt, sind die anderen Planetenräder von der Winkellage her gegenüber dem ersten so verdreht mit Zahnriemen (9) angeordnet (120° bzw. 240°), dass beide jeweils nur den halben Fluss führen können. Die drei Planetenräder bewirken also einen Drehfluss, während sie angetrieben werden. Da sowohl das Sonnenrad als auch die Planetenräder jeweils vier Pole aufweisen, dreht sich das Sonnenrad genauso schnell wie die drei Planetenräder. Jedes Planetenrad ersetzt also, vom Prinzip her, die Spule einer Drehstromwicklung.
3) Berechnungsbeispiel:
- Von der Dimensionierung her wird folgendes angenommen:
  - - Der Sonnenraddurchmesser Ds = 3 x Dp Planetenraddurchmesser.
  - - Die Anzahl der Sonnenradpole = Anzahl der Planetenradpole, d.h. : ns = np Sonnenraddrehzahl = Planetenraddrehzahl
  - - Die Polflächen aller 4 Pole eines Planetenrades zusammen sind vorzugsweise genau so groß wie die Polfläche eines Sonnenradpoles bzw. wie die des Statorpoles SP, d. h. die aktive Luftspaltfläche A von einem Sonnenradpol As = Σ Ap (Luftspaltfläche von allen Planetenradpolen eines Planetenrades zusammen).
  - - Der magnetische Fluss Φ = B × A durch die besagten Flächen ist derselbe und damit ebenso gleich. D.h. Φs = Φp.
  - - Anzahl der Planetenradanordnungen: 3
- Da der gleiche Flussbetrag sowohl am Sonnenradpol als auch an allen Planetenradpolen zusammen wirksam ist, kann am Umfang sowohl beim Sonnenradpol als auch bei den Planetenradpolen zusammen auch jeweils nur die genau gleiche Schubkraft F (Maxwellkraft) wirken, z.B: 30 kN/qm.
- Auf das jeweilige Drehmoment bezogen ergibt sich für das Sonnenrad Ms = F x Rs (Rs = Radius von Sonnenrad) und für das Planetenrad Mp = F x Rp (Rp = Radius von Planetenrad) . Da Rs = 3 x Rp ist, ist das Drehmoment vom Sonnenrad also dreimal so hoch wie das, welches am Planetenrad angelegt wird. Ms = 3 x Mp (so verhält es sich wie bei jedem Getriebe).
- Da beide Räder die gleiche Anzahl Pole aufweisen, ergibt sich ein
- Übersetzungsverhältnis von 1:1 bezüglich der Drehzahl. Die Eingangsdrehzahl np vom Planetenrad entspricht damit genau der Ausgangsdrehzahl ns vom Sonnenrad. ns = np.
- Damit ergibt sich für die Leistung des Sonnenrades: Ps = 3 x Mp x ns x k und für die Leistung des Planetenrades Pp = Mp x np x k bzw. : Ps = 3 x Pp.
- Die Gesamtzahl der „Arbeitstakte“ (Zugkrafttakte), die von allen Planetenrädern zusammen geleistet werden, sind immer gleich viel und gleich hoch wie die „Arbeitstakte“, die die Sonnenräder über ihre Pole erfahren. Beim Sonnenrad wirkt der Arbeitstakt bzw. der Zugkrafttakt über den Radius Rs, und beim Planetenrad wirkt dieselbe Kraft über den Radius Rp. Damit ist für dieses Beispiel nur das Durchmesserverhältnis Ds/Dp für die Leistungsverstärkung maßgebend.
- Werden die Polräder der Planeten mit einer höheren Anzahl an Polen ausgestattet, wie beispielsweise in 1a und 1b dargestellt, so ergibt sich für die 1a mit sechs Polen ein Übersetzungsverhältnis von 6/4 = 1,5 für die Drehzahlen, d.h. ns = 1,5 x np. Nach 1b mit 8 Polen beträgt das Übersetzungsverhältnis 8/4 = 2, d.h. ns = 2 x np.
- Da die Fläche aller Pole der Planetenräder zusammen gleichgehalten wurde, wie auch der wirksame Durchmesser, hat sich am Drehmoment nichts geändert. Die Ausgangsleistung vom Sonnenrad kann also mittels dieser Maßnahme weiter gegenüber der Eingangsleistung bei den Planetenrädern gesteigert werden.
- Es ergeben sich dann folgende Werte für die Ausgangsleistungen: $Ps = 3 \times 1,5 \times Pp = 4,5 \times Pp, bze . Ps = 3 \times 2 \times Pp = 6 \times Pp$
- Der Verstärkungsfaktor für diese Getriebeart kann also allgemein wie folgt formuliert werden: Vf = Ds x ns / Dp x np.
4) Anwendungsbeispiele:
- In 5 ist ein Anwendungsbeispiel dargestellt, bei dem die drei Planetenräder über den Zahnriemen (9) von einer Zahnriemenscheibe (14) gleichen Durchmessers und in gleicher Drehrichtung wie die Abtriebswelle 1 drehend angetrieben werden.

Die Zahnriemenscheibe (14) muss, bei ausgeschalteter Erregung der Spule (10a), um einen Drehwinkel, entsprechend dem gewünschten Lastwinkel und der gewünschten Drehrichtung, versetzt mit der Sonnenradwelle (1) auf dieser fixiert werden. Wenn jetzt der Erregerstrom von null an gesteigert wird, wird in gleichem Maß das Drehmoment der „Maschine“ angehoben. Das so konfigurierte Getriebe würde von sich aus wie ein Motor anlaufen. Da das Getriebe wie ein Leistungsverstärker wirkt, wird ein Teil der erzeugten Leistung über den Zahnriemen (9) zurückgekoppelt, um die Maschine selbsttätig anzutreiben. Es findet eine positive Rückkopplung statt. Bei einer vorgesehenen Erregung mittels Dauermagneten gestaltet sich die Anwendung als Motor komplizierter. Es muss zusätzlich eine Haltebremse an der Welle (1) angebracht sein, die verhindert, dass die Maschine eigenständig losläuft. Das Verdrehen der Zahnriemenscheibe (14) gegenüber der Welle (1) kann nur mit einem zusätzlichen Kraftaufwand entsprechend der Maschinengröße bzw. dem vorhandenen Drehmoment erfolgen. Beim Lüften der Bremse würde die Maschine sofort mit dem eingestellten Drehmoment und in der gewünschten Drehrichtung losfahren. Eine einfache Regelung des Drehmomentes ist nicht möglich. Prinzipiell kann die positive Rückkopplung auch über eine separate Welle außerhalb des Getriebes erfolgen, die mit der An- und Abtriebswelle vom Getriebe gekoppelt ist.
Eine nicht ganz so effiziente Art der Rückkopplung kann auch wie folgt durchgeführt werden: Das Getriebe wird von einem Elektromotor angetrieben. Das Getriebe treibt mit seiner Welle (1) einen Generator an. Von der elektrischen Leistung, die der Generator erzeugt, wird ein Teil wieder für den Antriebsmotor abgezweigt. Da der Motor in der Drehzahl geregelt werden kann, kann demnach der Generator indirekt über diesen Motor geregelt werden. Bei dieser Lösung muss der Generator auch die Motorverluste mit aufbringen.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht darin, dass jede der Planetenradwellen (12) mittels eigenem 2-poligen Synchronmotor angetrieben wird, wobei der Synchronlauf der Maschinen eben wegen der 2-poligkeit gegeben ist bzw. noch über eine gemeinsame Gleichlaufregelung gewährleistet werden muss.
Prinzipiell kann die Kopplung zwischen den Planetenradwellen (12) auf unterschiedlichste Art und Weise erfolgen: über Zahnradgetriebe, Kettenräder, Magnetgetriebe bekannter Bauweisen usw.
Bipolare Lösungen
Die Bipolaren Lösungen können vom Aufbau her in drei Varianten aufgeteilt werden. Die Variante 1 ist vom Prinzip her ganz ähnlich wie die bereits beschriebene Unipolare Lösung. Siehe hierzu 3, 3a, 3b und 4.

1) Das Sonnenrad weist zwei Polräder auf, wie für Unipolare Lösungen beschrieben. Zwischen den Polrädern kann, je nach Bedarf, ein Rückschlusseisen (7) vorhanden sein.
2) Um das Sonnenrad herum sind Planetenräder in ganz ähnlicher Weise wie bei der Unipolaren Lösung mit ihren Blechpaketen (4) mit den Statorpolen (25) angeordnet. Die Planetenpolräder weisen nun Magnete auf, die radial in die Blechpakete eingelassen sind, so dass sich eine Flussverstärkung ergibt und die Streuung minimiert ist. 3 zeigt die Anordnung für einen 4-poligen Planetenläufer (3) mit zwei Nordpolen und zwei Südpolen, wobei diese sich abwechseln.

Die drei Planetenräder können nun von dem Flussvektor her so zueinander fest angeordnet sein, dass der Fluss sich praktisch nur über die Polräder des Sonnenrades und die Rückschlusseisen (8) zwischen den Polrädern der Planeten schließt oder aber auch im wesentlichen über das Rückschlusseisen (7) des Sonnenrades wie bei der unipolaren Variante. Wegen der bipolaren Ausführung der Planetenräder ist der Fluss ein Wechselfluss, der höhere Verluste im Magneteisen zur Folge hat. Die zylindrischen Statorblechpakete (4c, 4d) der Planetenräder weisen nur halb so viele Innenpole auf wie es Pole beim Planetenpolrad (3) gibt. Der Gesamtfluss wird hier immer von zwei Polen gleichzeitig in „Parallelschaltung“ geführt.
(3a) zeigt eine 6-polige und (3b) zeigt eine 8-polige Ausführung der Planetenräder. Das Sonnenpolrad arbeitet bei dieser Ausführung als Reluktanzläufer. Wie unschwer zu erkennen ist, kann das Sonnenpolrad bei dieser Lösung auch durch einen 4-poligen Schenkelpolläufer oder 4-poligen Vollpolläufer einer Synchronmaschine ersetzt werden. Die Polarität der Pole bei Anwendung solcher Läufer ist in () angegeben.
Die Funktionsweise ist praktisch die gleiche wie für die unipolare Lösung beschrieben, mit dem Unterschied der Wechselmagnetfelder an Stelle der pulsierenden Magnetfelder. Für den Verstärkungsfaktor als auch bezüglich der Anwendungsbeispiele gilt ebenso Gleiches.
Die Variante 2 ist auf (6, 7, 8 , 9, 10 und 15) dargestellt.
Diese Variante ist bipolar mit nur zwei Polen auf jedem Planetenrad ausgestattet und kommt vom Aufbau her einer Drehstrommaschine am ähnlichsten. Eine höhere Polzahl bezüglich der Planetenräder ist bei dieser Variante nicht möglich. Alle Polräder der Planetenräder haben die gleiche Phasenlage zueinander. Bei dieser Lösung gibt es nicht Statorpakete für jedes Planetenradsystem einzeln. Alle Planetenräder sind über einen gemeinsamen zylindrischen Statorring (15) bzw.(19) umgeben, wie bei einer Reluktanz- oder Synchronmaschine, der Aussparungen auf der Innenseite bzw. Bohrungen für die einzelnen Planetenräder aufweist, um damit den magnetischen Rückschluss zwischen allen Planetenrädern zu ermöglichen. Der magnetische Fluss muss bei dieser Variante immer über sechs Luftspalte fließen. Da der magnetische Fluss von den Planetenpolrädern nicht über axial angeordnete Rückschlusseisen geführt werden kann, muss dieser Fluss den Luftspalt (6) zweimal überwinden. Der Verstärkungsfaktor für diese Getriebeart kann also allgemein wie folgt formuliert werden: Vf = Rs x ns / Dp x np. (Beim Sonnenrad wird der Radius und beim Planetenrad (2 x R = D) der Durchmesser genommen). Für einen hohen Verstärkungsfaktor sollte das Sonnenpolrad also auch 2-polig ausgeführt werden und einen großen Durchmesser haben.
(6) zeigt ein 4-poliges Sonnenrad mit sechs Planetenrädern. Das Sonnenrad kann auch mit einem zweipoligen Polrad ausgestattet sein, deren Pole die doppelte Polweite haben wie die Pole der 4-poligen Variante. Siehe (8). Optional können die Pole vom Sonnenpolrad dann auch mit Magneten versehen sein, um ein noch höheres Drehmoment zu ermöglichen. Siehe (9).
Das Sonnenrad als auch die Planetenräder müssen bei dieser Ausführung keine zweiten Polräder aufweisen. (7) zeigt vom Prinzip her zwei gleiche Getriebe auf gemeinsamen Wellen, die aber von der Flussführung her nichts miteinander zu tun haben. Die (6a, b, c, d) zeigen, wie sich das Sonnenrad um eine ¼ Umdrehung gegen den Uhrzeigersinn dreht, während sich die Planeten synchron im Uhrzeigersinn in 60°- Schritten um eine 1/2 Umdrehung drehen. Das Übersetzungsverhältnis ist hier also 2:1. Losgelöst von dem Statorring (15) sind die diskreten Statorpole (25) als Bindeglieder zwischen den Planetenrädern und dem Sonnenrad symmetrisch um das Sonnenrad herum verteilt angeordnet. Das Sonnenrad verhält sich wie der Läufer einer Reluktanzmaschine.
Bei den zweipoligen Ausführungen für das Sonnenrad (8, 9 und 15) ist das Besondere, dass immer mehrere benachbarte Planetenräder mit ihren Statorpolen (25) an der Flussführung vom selben Sonnenradpol beteiligt sind. Des weiteren drehen bei dieser Lösung das Sonnenrad und die Planetenräder in dieselbe Richtung. Die Stellung der Planetenräder in (9) ist gegenüber der Stellung der Planetenräder in (8) um 30° verdreht dargestellt. Man kann deutlich erkennen, dass das Sonnenrad dem gleichen Winkelbetrag folgen muss. (9) weist zusätzlich Magnete auf den Polen vom Sonnenrad auf, die die Magnetkraft verstärken. Da bei dieser Ausführung das Sonnenrad nur unipolar magnetisiert wird, kann die Magnetisierung hier auch über eine Spule (Doppel T Anker bzw. Schenkelpolläufer) oder wie bei einem 2-poligen Vollpolläufer einer Synchronmaschine erfolgen. Eine Besonderheit der Ausführung nach (15) ist, dass es keine Pollücken zwischen den Ständerpolen gibt. Sie sind im Ständerblechpaket (19) virtuell mit integriert. Um zu verhindern, dass der Magnetische Fluss der einzelnen Polräder kurzgeschlossen werden kann, sind Flusssperren in Form von Bohrungen (18) zwischen den einzelnen Planetenbohrungen im Blechpaket vorgesehen. Das zweipolige Sonnenrad kann wie nach (8) (ohne Magnete), wie nach (9) (mit außenliegenden Magneten), nach (15) (mit eingebetteten Magneten), nach (17) (mit Magneten, die von Eisen umgeben sind) oder aber auch als Vollpolläufer bzw. Schenkelpolläufer, wie von einer Synchronmaschine her bekannt, gestaltet sein.
Da sowohl Sonnenrad als auch die Planetenräder denselben Drehsinn aufweisen, kann eine positive Rückkopplung der Drehkraft vom Sonnenrad auf die Planetenräder, wie auf (10) dargestellt ist, erfolgen, wobei die beiden Zahnriemengetriebe (9) auf gegenüberliegenden Seiten oder derselben Seite der Maschine angeordnet sein können. Als Nachteil dieser Varianten gilt, wie für alle 2-poligen Elektromaschinen, der erhöhte Bedarf an Elektroblech. Der gesamte Fluß der Maschine muss über das Blech, wie mit Pfeilen (6) angedeutet, fließen.
Bezüglich des Verstärkungsfaktors gilt gleiches wie für die Variante 2.
Die Variante 3 ist auf (11,12, 16 und 17) dargestellt.
Diese Variante stellt nur eine Abwandlung der Variante 2 dar und löst das Problem des Materialaufwandes. Bei dieser Variante werden für das Sonnenrad und das Planetenrad jeweils zwei Polräder benötigt, wie auf (12) dargestellt. Die zwei Polräder mit Magneten oder Doppel T Anker (14) einer jeden Planetenradwelle sind von ihrer Polarität her wegen der Flussführung genau um 180° zueinander versetzt angeordnet.
Die zylindrischen Statorblechpakete (15) werden hier durch Einzelpakete bzw. Schnittbandkerne (16), (22) ersetzt, so dass der magnetische Fluss immer nur über diese Pakete, wie in (12) dargestellt, fließen kann. Optional könnte zusätzlich ein Rückschlusseisen (7) zwischen den beiden Polrädern des Sonnenrades vorgesehen werden. Die Polräder für diese Variante können genau so gestaltet sein, wie für die Variante 2 angegeben, mit dem Unterschied, dass der magnetische Fluss sich auf die einzelnen Pakete verteilt. (17) zeigt noch eine Besonderheit. Sie kombiniert die Vorteile der Varianten 2 und 3. Die zwei zyl. Blechpakete (23) sorgen dafür, dass es keine Pollücken bei dieser Variante mehr gibt. Die Flussdichte (Induktion) im Luftspalt (5) kann kleiner gehalten werden und konzentriert sich erst in den Schenkeln (Statorpolen 25) der Rückschlusseisen bzw. der Schnittbandkerne (22). Die Lösung nach (17) stellt eine insgesamt sehr vorteilhafte Variante der Erfindung dar. Bezüglich des Verstärkungsfaktors gilt gleiches wie für die Variante 2.
Bezugszeichenliste

1: Abtriebswelle vom Sonnenrad (a-magnetisch angenommen)
2a/b: Sonnenrad bzw. Polräder vom Sonnenrad
3: Bipolare Polräder von den Planetenrädern
4: Zyl. Ständerblechpakete von den Planetenrädern mit ausgeprägten Sonnenradstatorpolen 25; a/b = Blechpakete von Unipolar Variante; c/d = Blechpakete von Bipolar Variante
5: Sonnenpolradluftspalte
6/a: Planetenpolradluftspalte
7: Magnetisches Rückschlusseisen zwischen den zwei Polrädern vom Sonnenrad
8: Magnetisches Rückschlusseisen (Ringbandkern) zwischen den zwei Polrädern von den Planetenrädern
9: Die Planetenräder synchron verbindende Zahnriemen
10a/b: Co-axial und berührungslos angeordnete Erregerspulen vom Sonnenrad bzw. Planetenrad
11a/b: Planetenrad bzw. Polräder von Planetenrad
12: Planetenradwelle
13: Wellenlagerungen
14: Zahnscheibe mit Spannhülse
15: Zyl. Blechpaket für magnetischen Rückschluss aller Planetenräder gemeinsam (Ständerblechpaket für Ausführung mit diskreten Ständerpolen 25)
16: Magnetisches Rückschlusseisen (Schnittbandkernhälfte U-förmig) je Planetenanordnung mit zyl. Aussparung für Planetenpolrad
17: Planetenpolrad als TT-Anker mit Erregerspule (2-polig)
18: Bohrung als Magnetflusssperre
19: Ständerblechpaket für Planetenpolräder mit integrierten Ständerpolen (25 fließend ineinander übergehend = nicht ausgeprägt)
20: 2-poliges Planetenpolrad
21: 2-poliges Sonnenpolrad als Vollpolläufer mit magnetischer Erregung (Magnete radial eingelassen)
22: Magnetisches Rückschlusseisen (Schnittbandkernhälfte U-förmig) je Planetenanordnung mit Bohrungen für Planetenpolrad mit integriertem Ständerpol SP für axiale Flussführung nach 14
23: Ständerblechpaket zur Aufnahme der magnetischen Rückschlusseisen (22)(Vermeidung von Pollücken zwischen den Ständerpolen (SP)) (23.1 = A-Seite, 23.2 = B-Seite)
24: 2-poliges Sonnenrad mit eingelassenen Magneten
25: Integrierte bzw. diskrete Sonnenradstatorpole
26: Schleifringe für Erregerstrom
27: Magnete mit Nordpol N (dunkel) und Südpol S (hell)

Figurenliste

1 Querschnitt durch Unipolar-Getriebe mit 4-poligen Planetenrädern und 4-poligem Sonnenrad; 3-phasig
1a 6-polige Planetenradanordnung mit eigenem Ständerblechpaket und Sonnenrad -Statorpol (25)
1b 8-polige Planetenradanordnung mit eigenem Ständerblechpaket und Sonnenrad -Statorpol (25)
2 Längsschnitt durch Unipolargetriebe nach (1) mit co-axialer elektromagnetischer Erregung der zwei Sonnenradpolräder
2a Sonnenradpolräder mit dauermagnetischer Erregung zwischen den zwei Sonnenradpolrädern
2b Sonnenradpolräder, mit Magneten auf den ausgeprägten Polen angeordnet und mit Rückschlusseisen (7)
2c Längsschnitt durch Unipolargetriebe, nach (1) mit co-axialer elektromagnetischer Erregung der Planetenradpolräder mittels der Spulen (10b)
3 Querschnitt durch Bipolargetriebe mit 4-poligem Sonnenrad und 4-poligen Planetenrädern
3a 6-polige Planetenradanordnung von Bipolargetriebe nach (3)
3b 8-polige Planetenradanordnung von Bipolargetriebe nach (3)
4 Längsschnitt durch Bipolargetriebe nach (3)
5 Schema von Treibriemenführung für positive Leistungsrückkopplung der Hauptantriebswelle auf Planetenradwelle für Getriebe nach (1 und 3)
6 Querschnitt durch Bipolargetriebe mit sechs 2-poligen Planetenrädern mit gemeinsamem zyl. Ständerblechpaket und 4-poligem Sonnenrad.
1. a) Ausgangsstellung: 0°, b) +60° Stellung, c) +120° Stellung, d) +180° Stellung der Planetenräder, mit zugehöriger Stellung des Sonnenrades
7 Längsschnitt durch Bipolargetriebe nach (6a)
8 Querschnitt durch Bipolargetriebe mit sechs 2-poligen Planetenrädern mit gemeinsamem zyl. Ständerblechpaket und 2-poligem Sonnenrad
9 Querschnitt durch Bipolargetriebe mit sechs 2-poligen Planetenrädern mit gemeinsamem zyl. Ständerblechpaket und 2-poligem Sonnenrad mit Permanentmagneterregung der Sonnenradpole
10 Schema von Treibriemenführung für positive Leistungsrückkopplung der Hauptantriebswelle auf Planetenradwellen für Getriebe nach (8 und 9)
11 Querschnitt durch Bipolargetriebe mit sechs 2-poligen Planetenrädern mit eigenen axial verlaufenden Rückschlusseisen (Schnittbandkerne) und 4-poligem Sonnenrad. (Axialfluss)
12 Längsschnitt durch Bipolargetriebe nach (11)
13 Querschnitt durch eine Planetenpolradanordnung mit elektromagnetischer Erregung (Doppel T-Anker)
14 Längsschnitt durch Planetenanordnung nach (13) mit elektromagnetischer Erregung
15 Querschnitt durch Bipolargetriebe mit acht 2-poligen Planetenrädern mit gemeinsamem zyl. Ständerblechpaket und 2-poligem Sonnenrad als Vollpolläufer mit voll integrierten Ständerpolen (25) (ohne Pollücken zwischen den Ständerpolen)
16 Querschnitt durch Bipolargetriebe mit acht 2-poligen Planetenrädern mit eigenen axial verlaufenden Rückschlusseisen (Schnittbandkerne) und 2-poligem Sonnenrad als Vollpolläufer (Axialfluss) mit voll integrierten Ständerpolen (25) und reduzierten Pollücken zwischen den Ständerpolen
17 Querschnitt durch Bipolargetriebe mit sechs 2-poligen Planetenrädern mit zwei gemeinsamen zyl. Blechpaketen (23), zur Vermeidung von Pollücken zwischen den Polen (25) nach (16) und mit 2-poligen Sonnenpolrädern mit im Läufereisen eingelassenen Magneten. Die Schnittbandkerne sind mit ihren Schenkeln in Aussparungen in den Blechpaketen eingelassen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2874293 A1 [0002]

Claims

Magnet-Planetengetriebe dadurch gekennzeichnet, dass a) im Luftspaltbereich zwischen dem Sonnenpolrad (2) bzw. den Sonnenpolrädern (2a, 2b) und den jeweils zugeordneten Planetenpolrädern (11, bzw. 11a, 11b) feststehende Statorpole (25) vorhanden sind, die diskret oder in anderen Bauteilen (Blechpakete 4, 19, 22, 23) integriert sein können und über die der magnetische Fluss zwischen den Polrädern geführt wird, wobei der magnetische Fluss jeweils einen ersten Luftspalt (5) zwischen Sonnenpolrad und Statorpol (25) und einen zweiten Luftspalt (6) zwischen Statorpol (25) und Planetenpolrad, bzw. auch in anderer Reihenfolge, überwinden muss, um von einem Polrad zum anderen zu gelangen; b) die Wellen der Planetenpolräder alle miteinander in einer bestimmten Winkellage zueinander mechanisch (oder elektromotorisch) fest miteinander gekoppelt sind, um von der magnetischen Flussführung her beim Sonnenrad einen Drehfluss wie bei einer Drehstrommaschine oder auch nur einen Wechselfluss wie bei der 1-phasigen Maschine zu bewirken, wobei die Anzahl der Phasen unbegrenzt ist und der Antrieb des Getriebes über diese miteinander gekoppelten Planetenwellen erfolgt; c) die Polräder vom Sonnenrad und den Planetenrädern direkt oder indirekt, unipolar oder bipolar mittels Dauermagneten oder Elektrospulen magnetisiert werden können, wobei die Ausführungen von den Polrädern wie von Reluktanzläufern, Schenkelpolläufern oder Vollpolläufern, von Synchronmaschinen her bekannt, ausgeführt bzw. gestaltet sein können.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) jedes der Planetenpolräder sein eigenes Statorblechpaket (4a, 4b) aufweist, welches auf der zum zugehörigen Sonnenpolrad hin zugewandten Außenseite eine Ausformung als Statorpol (25) für das jeweils zugeordnete Sonnenpolrad (2a, 2b) hat, über welchen der magnetische Fluss vom Sonnenpolrad zum Planetenpolrad über eine Vielzahl von Innenpolen gelangt, wobei die Anzahl der Innenpole dieser Statorblechpakete genau der selben Anzahl der Pole auf den Planetenpolrädern entspricht und wobei immer alle Pole gleichzeitig (in Parallelschaltung) den gesamten Fluss, der über den Statorpol (25) in immer nur einer Richtung fließt, führen; b) der magnetische Fluss für das Getriebe entweder von einer coaxial zwischen den Sonnenpolrädern (2a, 2b) angeordneten Elektrospule (10a), oder von coaxial zwischen den Planetenpolrädern (4a, 4b) angeordneten Elektrospulen (10b), oder von Magneten (27) die entweder zwischen den Polrädern oder auf den Polen der Polräder selbst angebracht sein können, oder aber auch von einer beliebigen Kombination von Elektrospulen und Magneten erzeugt wird; c) je nach Bedarf es magnetische Rückschlusseisen (7) zwischen den Polrädern des Sonnenrades und (8) zwischen den Polrädern der Planeten gibt, die aus Ringbandkernen o. ä. gestaltet sein können und dafür sorgen, dass der magnetische Fluss möglichst verlustarm zwischen diesen Polrädern fließen kann; d) jedes einzelne Planetenradsystem bestehend aus Lagerung (13), Welle (12), den Polrädern (11), den zugehörigen Blechpaketen (4a, 4b), dem Erregersystem (10b, 27) und/oder Rückschlusseisen (8) (falls vorhanden) jeweils nach dem Baukastenprinzip zu einer abnehmbaren Baueinheit zusammengebaut sind und wahlweise an stirnseitig angeordneten Lagerschilden oder an mittig zwischen den Polrädern angeordneten Befestigungselementen befestigt sind.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) jedes der Planetenpolräder (3) sein eigenes Statorblechpaket (4c, 4d) aufweist, welches auf der zum zugehörigen Sonnenpolrad hin zugewandten Außenseite eine Ausformung als Statorpol (25) für das Sonnenpolrad hat über welchen der magnetische Fluss zum Planetenpolrad über eine Vielzahl von Innenpolen gelangt, wobei die Anzahl der Innenpole dieser Statorblechpakete genau der halben Anzahl der Pole auf den Planetenpolrädern entspricht und wobei immer alle Innenpole dieser Statorblechpakete gleichzeitig (in Parallelschaltung) den gesamten Wechselfluss, der über den Statorpol (25) fließt, führen; b) der magnetische Fluss der bipolaren Polräder (3) der Planetenräder entweder von Magneten oder Elektrospulen nach dem Vollpol- oder Schenkelpolprinzip erzeugt wird, wobei der Fluss im wesentlichen nur über die Planetenpolräder (3), die Sonnenpolräder (2) und Rückschlusseisen (8) geführt wird, oder aber optional als Gesamtfluss aller Planetenpolräder über die Sonnenpolräder (2) und Rückschlusseisen (7) zwischen den Sonnenpolrädern geführt wird; c) je nach Bedarf es magnetische Rückschlusseisen (7) zwischen den Polrädern des Sonnenrades und (8) zwischen den Polrädern der Planeten gibt, die aus Ringbandkernen o. ä. gestaltet sein können und dafür sorgen, dass der magnetische Fluss möglichst verlustarm zwischen diesen Polrädern fließen kann; d) jedes einzelne Planetenradsystem bestehend aus Lagerung (13), Welle (12), den Polrädern (3), den zugehörigen Blechpaketen (4c, 4d), dem Erregersystem und/oder Rückschlusseisen (8), jeweils nach dem Baukastenprinzip zu einer abnehmbaren Baueinheit zusammengebaut und wahlweise an stirnseitig angeordneten Lagerschilden oder an mittig zwischen den Polrädern angeordneten Befestigungselementen befestigt sind.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) alle Planetenpolräder jeweils nur mit einem Polpaar ausgestattet sind und zusammen über ein gemeinsames Statorblechpaket (15) bzw. (19) für den magnetischen Rückschluss zwischen diesen Planetenpolrädern verfügen und zusätzlich entweder noch diskrete Ständerpole (25) auf der jeweils zum Sonnenpolrad hin zugewandten Innenseite aufweisen, über welchen der magnetische Fluss zum Planetenpolrad gelangt oder, aber dass die Ständerpole (25) voll in diese Blechpakete (19) integriert sind und es dafür aber Flusssperren (18) zwischen diesen „virtuellen Ständerpolen“ gibt, die den Streufluss minimieren; b) der magnetische Fluss der bipolaren Polräder (3) der Planetenräder entweder von Magneten oder Elektrospulen nach dem Vollpol- oder Schenkelpolprinzip erzeugt wird, wobei die Magnete bei magnetischer Erregung, je nach Zweckmäßigkeit, oberflächlich auf den Polen(20), radial (21) oder umfangsmäßig eingebettet (24) sein können; c) die Polräder vom Sonnenrad nach diesem Anspruch, die zwei Pole und mehr aufweisen können, nach dem Prinzip von einem Reluktanzläufer mit ausgeprägten Polen oder nach Vagati gestaltet sein können; d) die Polräder vom Sonnenrad die nur zwei Pole aufweisen, zusätzlich zu den Polrädern der Planeten, genau wie unter b) beschrieben, magnetisiert sein können.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) alle Planetenpolräder jeweils nur mit einem Polpaar ausgestattet sind und jeweils über eigene Statorblechpakete (16) bzw. (22) für den magnetischen Rückschluss zwischen den Planetenpolrädern eines Planetenrades bzw. einer Planetenwelle verfügen und zusätzlich entweder noch diskrete Ständerpole (25) auf der jeweils zum Sonnenpolrad hin zugewandten Innenseite aufweisen, über welche der magnetische Fluss vom Sonnenpolrad zum Planetenpolrad gelangt, oder aber dass die Ständerpole (25) voll in die Blechpakete (22) integriert sind; b) der magnetische Fluss der bipolaren Polräder (3) der Planetenräder entweder von Magneten oder Elektrospulen nach dem Vollpol- oder Schenkelpolprinzip erzeugt wird, wobei die Magnete bei magnetischer Erregung, je nach Zweckmäßigkeit, oberflächlich auf den Polen(20), radial (21) oder umfangsmäßig eingebettet (24) sein können; c) jedes einzelne Planetenradsystem bestehend aus Lagerung (13), Welle (12), den Polrädern (20), den zugehörigen Blechpaketen (16, 22), dem Erregersystem (17, 20) jeweils nach dem Baukastenprinzip zu einer abnehmbaren Baueinheit zusammengebaut und wahlweise an stirnseitig angeordneten Lagerschilden oder an mittig zwischen den Polrädern angeordneten Befestigungselementen befestigt sind wobei auch ein „fliegender“ Anbau mit Lagerung zwischen den Polrädern vom Sonnenrad für diese Befestigungselemente möglich ist; d) die Polräder vom Sonnenrad nach diesem Anspruch, die zwei Pole und mehr aufweisen können, nach dem Prinzip von einem Reluktanzläufer mit ausgeprägten Polen oder nach Vagati gestaltet sein können; e) die Polräder vom Sonnenrad die nur zwei Pole aufweisen, zusätzlich zu den Polrädern der Planeten, genau wie unter b) beschrieben, magnetisiert sein können.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass um jedes der zwei Sonnenpolräder herum ein zyl. Blechpaket (23) angeordnet ist, welches jeweils dafür sorgt, dass keine Pollücken zwischen den benachbarten Statorpolen (25) der Statorblechpakete (22) erst entstehen können und über welche der magnetische Fluss jeweils von einem Blechpaket (23.1) über die Statorblechpakete (22) zum anderen Blechpaket (23.2) gelangen kann.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass es eine positive mechanische Rückkopplung über ein Getriebe, z.B. Zahnriemen (9) o.ä., zwischen der Abtriebswelle (1) und der Antriebswelle (12) gibt, welches dafür sorgt, dass dauerhaft ein definierter Drehwinkelversatz (Lastwinkel) zwischen diesen Wellen aufgespannt bleibt, der es ermöglicht, dass das Getriebe praktisch als Motor entweder über eine vorhandene Elektromagnetische Erregung betrieben werden kann oder mittels einer Erregung über Dauermagnete, wobei dann alle aus sicherheitstechnischen Gründen erforderlichen Zusatzgeräte, wie z.B Magnetkupplung und Haltebremsen vorhanden sind, die unkontrolliertes Losfahren der Maschine verhindert.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe von einem regelbaren Elektromotor angetrieben wird und welches selber über die Sonnenradwelle (1) einen Generator antreibt, wobei die positive Rückkopplung dadurch erfolgt, dass ein Teil der vom Generator erzeugten Leistung für den Antriebsmotor verwendet wird.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 6 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder bei 2-poliger Ausführung mechanisch nicht miteinander synchronisiert sind, sondern dass jede Planetenradwelle (12) einzeln, jeweils von einer eigenen 2-poligen Synchronmaschine angetrieben wird, wobei diese Synchronmaschinen selber über eben diese Zweipoligkeit miteinander automatisch synchron am selben Netz laufen oder aber, dass eine elektronische Regelung dafür sorgt, dass diese Motoren synchron und mit richtiger Phasenlage zueinander laufen können (Gleichlaufregelung), wobei auch hier eine positive Rückkopplung der für die Maschine benötigten Leistung nach Anspruch 8 erfolgen kann.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 6, 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass mittels dem Getriebe nicht nur eine beliebige Maschine angetrieben wird, sondern auch immer noch zusätzlich parallel ein Generator für die positive Energierückkopplung für den oder die Antriebsmotoren der Planetenräder.