DE112022002954T5

DE112022002954T5 - Magnetisch getriebene Vorrichtung und Rotor

Info

Publication number: DE112022002954T5
Application number: DE112022002954.4T
Authority: DE
Inventors: Glynn COOKE; Radu-Stefan Dragan; David Powell; Gregg Wilson; Stuart Calverley
Original assignee: Magnomatics Ltd
Current assignee: Magnomatics Ltd
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2024-04-04
Also published as: JP2024520468A; GB2607870A; WO2022258948A1; GB202108117D0; CN117441285A; US20240106314A1

Abstract

Die vorliegende Veröffentlichung bezieht sich auf eine magnetisch getriebene Vorrichtung. In einem Beispiel umfasst die magnetisch getriebene Vorrichtung: einen ersten Läufer, der eine Vielzahl von ersten Permanentmagneten umfasst; einen Stator; einen zweiten Läufer; und eine Flussabschirmung, die mit der ersten Vielzahl von Permanentmagneten ausgerichtet ist, um den magnetischen Fluss zu dämpfen. Entweder der Stator oder der zweite Läufer umfasst eine Vielzahl von Polstücken und ist zwischen dem ersten Läufer und andererseits dem Stator oder dem zweiten Läufer angeordnet. Der erste Läufer, der Stator und der zweite Läufer sind in einer ersten Richtung ausgerichtet, und wobei die Flussabschirmung von der Vielzahl der ersten Permanentmagnete in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung durch einen nichtmagnetischen Bereich beabstandet ist, wodurch der Magnetfluss in der zweiten Richtung gedämpft wird.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine magnetisch getriebene Vorrichtung und auf einen Rotor für eine magnetisch getriebene Vorrichtung.
Hintergrund
Magnetisch getriebene Vorrichtungen zur Übertragung von Drehmomenten zwischen zwei oder mehreren beweglichen Bauteilen ohne mechanischen Kontakt sind bekannt. Magnetisch getriebene Vorrichtungen haben viele Vorteile gegenüber mechanisch getriebenen Vorrichtungen. So werden beispielsweise die Reibungsverluste in einer magnetisch getriebenen Vorrichtung minimiert. Magnetisch getriebene Vorrichtungen sind daher energieeffizienter als ihre mechanischen Gegenstücke. Zwei Beispiele für eine solche magnetisch getriebene Vorrichtung sind in den 1a bis 2b dargestellt.
Die 1a und 1b zeigen eine magnetisch getriebene Vorrichtung 100, die einen äußeren Stator 102, einen ersten (inneren) Rotor 104 und einen zweiten (mittleren) Rotor 106 umfasst, der radial zwischen dem Stator 102 und dem ersten Rotor 104 angeordnet ist. Der Stator 102 umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten leitenden Wicklungen 108, der erste Rotor 104 umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten 110, und der zweite Rotor 106 umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten unmagnetisierten ferromagnetischen (typischerweise aus Stahl) Polstücken 112. Der erste Rotor 104 ist über eine Eingangswelle 118a mit einem Verbrennungsmotor 114 verbunden, und der zweite Rotor 106 ist mit einer Ausgangswelle 118b verbunden, so dass die Ausgangswelle 118 durch den zweiten Rotor 106 angetrieben wird. Der erste Rotor 104, der zweite Rotor 106 und der Stator 102 können in einem Gehäuse untergebracht sein (in 1 nicht dargestellt). Die Permanentmagnete 110 erzeugen ein erstes Magnetfeld, und die Wicklungen 108 erzeugen - wenn sie mit Strom versorgt werden - in ähnlicher Weise ein zweites Magnetfeld. Die Eigenschaften des zweiten Magnetfeldes können durch die Einstellung des den Wicklungen 108 zugeführten Stroms gesteuert werden. Durch die Wechselwirkung zwischen dem ersten Magnetfeld und den Polschuhen 112 wird ein Folgemagnetfeld erzeugt. Dieses Folgemagnetfeld koppelt mit dem von den Wicklungen 108 erzeugten zweiten Magnetfeld, um ein Drehmoment und eine verzahnte Wechselwirkung zwischen dem ersten und zweiten Rotor 104, 106 zu erzeugen. Die Vorrichtung der 1 ist als leistungsverzweigte Vorrichtung nützlich -wegen ihrer Fähigkeit, die Ausgangswelle 118b mit Hilfe des Verbrennungsmotors 114, einer Batterie, die einen elektrischen Eingang zu den Wicklungen 108 liefert, oder einer Mischung aus beiden anzutreiben. Darüber hinaus kann die Vorrichtung der 1a-1b als verzahnter Hybridantrieb verwendet werden, wodurch ein herkömmlicher mechanischer Antrieb überflüssig wird.
Die 2a und 2b zeigen eine magnetisch angetriebene Vorrichtung 200. Für Komponenten, die mit der Vorrichtung 100 identisch sind, werden gleiche Bezugsziffern verwendet. Wie zu erkennen ist, ähnelt die magnetisch getriebene Vorrichtung 200 von 2 derjenigen der 1a und 1b. Der Stator 102 enthält jedoch zusätzlich eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten zweiten Permanentmagneten 120 (im Unterschied zu der Vielzahl der ersten Permanentmagneten 110). Außerdem ist keine Eingangswelle mit dem ersten Rotor 104 verbunden. Ein Gehäuse 122 ist dargestellt, das den Stator 102, den ersten Rotor 104 und den zweiten Rotor 106 umschließt. Wie bei der Vorrichtung 100 der 1a-1b ist der zweite Rotor 106 mechanisch mit der Abtriebswelle 118 gekoppelt und treibt diese an. Das Gehäuse 122, der Stator 102 und der erste Rotor 104 sind über Lager 124 mit der Abtriebswelle 118 verbunden, so dass die Abtriebswelle 118 relativ zu diesen Komponenten drehbar ist. Diese Anordnung kombiniert die Funktionalität eines magnetischen Antriebs mit der einer typischen elektrischen Maschine, indem sie eine verzahnte Drehmomentübertragung in Kombination mit einem Motor- oder Generatorbetrieb ermöglicht. Das erste Magnetfeld wird von den ersten Permanentmagneten 110 auf dem ersten Rotor 104 erzeugt, das zweite Magnetfeld von den zweiten Permanentmagneten 120 auf dem Stator 102. Die Polschuhe 112 regulieren die Wechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeld. Wenn die Wicklungen des Stators mit einem dreiphasigen, um 120 Grad versetzten Strom gespeist werden, baut sich in der Vorrichtung 200 ein rotierendes Magnetfeld auf. Dieses rotierende Magnetfeld kann die gleiche Anzahl von Polpaaren aufweisen wie das erste Magnetfeld, das von den ersten Permanentmagneten 110 erzeugt wird. Das rotierende Magnetfeld und das erste Magnetfeld sind über die Polstücke direkt miteinander gekoppelt, so dass die Drehung des ersten Rotors 104 und des zweiten Rotors 106 elektromechanisch mit dem den Wicklungen 108 zugeführten Strom gekoppelt ist. Der zweite Rotor 106 dreht sich mit einer niedrigeren Drehzahl als der erste Rotor 104. Daher wird durch die Verbindung der Abtriebswelle mit dem zweiten Rotor 106, wie dargestellt, ein hocheffizienter Motor-Generator mit einem sehr hohen Drehmoment realisiert. Darüber hinaus kann die in den 2a-2b gezeigte Vorrichtung als verzahnter Motor/Generator verwendet werden, so dass ein herkömmliches mechanisches Getriebe überflüssig wird.
Wie in den 1b und 2b gezeigt, können weniger erste Dauermagnete 110 enthalten sein, wenn die magnetisch getriebene Vorrichtung als Motor/Generator 200 mit hohem Drehmoment konfiguriert ist, als wenn die magnetisch getriebene Vorrichtung als Leistungsverzweigungsvorrichtung 100 konfiguriert ist. Wie der Fachmann weiß, hängt die spezifische Anzahl der ersten Dauermagnete von der Anwendung ab.
Ein weiteres Beispiel für eine magnetisch angetriebene Vorrichtung ist ein magnetischer Antrieb. Ein typischer magnetischer Antrieb umfasst einen Innenrotor mit einer ersten Vielzahl von Dauermagneten; einen Außenrotor mit einer zweiten Vielzahl von Dauermagneten; und einen Polschuhrotor, der radial zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor angeordnet ist und eine Vielzahl von Polschuhen umfasst. Die erste Vielzahl von Permanentmagneten erzeugt ein erstes Magnetfeld, und die zweite Vielzahl von Permanentmagneten erzeugt ein zweites Magnetfeld. Die Polschuhe modulieren die Wechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeld, wodurch eine verzahnte Wechselwirkung zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor erzeugt wird. Der Hauptunterschied zur Anordnung in den 2a-2b besteht also darin, dass keine Wicklungen vorhanden sind und dass die zweite Vielzahl von Dauermagneten an einem Rotor und nicht an einem Stator angebracht ist. Durch die Befestigung des Innenrotors an einer ersten (z.B. Eingangs-) Welle und des Außenrotors an einer zweiten (z.B. Ausgangs-) Welle wird ein magnetischer Antrieb erzeugt.
Ein Problem mit der magnetisch angetriebenen Vorrichtung, wie sie in den Beispielen der obigen Abschnitte beschrieben ist, besteht jedoch darin, dass der magnetische Streufluss unerwünschte Wirbelströme in verschiedenen leitenden Komponenten der Vorrichtung verursachen kann. Solche Wirbelströme verursachen Energieverluste durch ohmsche Erwärmung, was wiederum den Wirkungsgrad verringert. Dieses Problem verschärft sich bei Anwendungen mit hohem Drehmoment, bei denen die beteiligten Magnetfelder beträchtlich sind und daher eher dazu neigen, sich in unerwünschte Komponenten der Vorrichtung zu verirren. Da außerdem Gewicht und Größe reduziert werden sollen, werden kompaktere magnetisch angetriebene Vorrichtungen angestrebt. Eine kompaktere Bauweise wirkt sich auch positiv auf die strukturelle Steifigkeit aus. Allerdings verschärft sich mit zunehmender Kompaktheit auch das Problem des Streuflusses, da der Abstand zwischen den Komponenten der Vorrichtung geringer wird. Es besteht daher die Notwendigkeit, den magnetischen Streufluss in solchen magnetisch angetriebenen Vorrichtungen wirksam zu kontrollieren.
Zusammenfassung
In einem ersten Aspekt wird eine magnetisch getriebene Vorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

einen ersten Läufer mit einer Vielzahl von ersten Permanentmagneten;
einen Stator;
einen zweiten Läufer; und
eine Flussabschirmung, die mit der ersten Vielzahl von Permanentmagneten ausgerichtet ist, um den Magnetfluss zu dämpfen,
wobei einerseits der Stator oder der zweite Läufer eine Vielzahl von Polstücken umfasst und zwischen dem ersten Läufer und andererseits dem Stator oder dem zweiten Läufer angeordnet ist; und
wobei der erste Läufer, der Stator und der zweite Läufer in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, und wobei die Flussabschirmung von der Vielzahl der ersten Permanentmagnete in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung durch einen nichtmagnetischen Bereich beabstandet ist, wodurch der Magnetfluss in der zweiten Richtung gedämpft wird.

Andererseits kann der Stator oder der zweite Antrieb kann eine Vielzahl von zweiten Permanentmagneten umfassen. In diesem Fall kann die Vorrichtung einen magnetischen Antrieb umfassen.
Der Stator kann eine Vielzahl von Wicklungen und optional auch eine Vielzahl von zweiten Permanentmagneten umfassen. In solchen Beispielen kann der zweite Läufer die Polstücke umfassen und zwischen dem Stator und dem ersten Läufer angeordnet sein. Umfasst der Stator sowohl die mehreren Wicklungen als auch die mehreren zweiten Dauermagnete, kann die Vorrichtung einen Motor/Generator umfassen. Umfasst der Stator nur die mehreren Wicklungen, so kann die Vorrichtung eine Leistungsverzweigungsvorrichtung umfassen. Umfasst der Stator eine Vielzahl von Permanentmagneten und eine Vielzahl von Wicklungen, so kann die Vielzahl der zweiten Permanentmagnete zwischen den Wicklungen und dem zweiten Läufer angeordnet sein.
Wie der Leser verstehen wird, kann ein Läufer entweder ein Rotor oder ein Translator sein. Das heißt, ein Läufer kann entweder relativ zu dem Stator drehen oder im Wesentlichen axial relativ zu dem Stator verschieben. Wie der Leser aus der Lektüre der folgenden Beschreibungsabschnitte und der beigefügten Figuren erkennen wird, ist die vorliegende Erfindung auf radial angeordnete und axial angeordnete magnetisch getriebene Vorrichtungen (in denen die Läufer Rotoren umfassen) und auf linear angeordnete magnetisch getriebene Vorrichtung (in denen die Läufer Translatoren umfassen) anwendbar. In der folgenden Beschreibung wird im Allgemeinen der Einfachheit und Konsistenz halber der Begriff „Rotor“ verwendet. Wie der Leser jedoch verstehen wird, können Translatoren gleichwertig anstelle von Rotoren verwendet werden (und umgekehrt), und somit gelten die hier offengelegten Konzepte gleichermaßen für beide Arten von Antrieben.
In einem zweiten Aspekt wird ein Rotor für eine magnetisch getriebene Vorrichtung bereitgestellt, die konzentrisch angeordnete, magnetisch interagierende Komponenten umfasst, wobei der Rotor Folgendes umfasst:

eine Trägerstruktur (z. B. eine Permanentmagnet-Trägerstruktur);
eine Vielzahl von Permanentmagneten (z. B. erste Permanentmagnete), die mit der Trägerstruktur verbunden sind; und
eine Flussabschirmung, die mit der Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die Flussabschirmung axial mit der Mehrzahl von Permanentmagneten ausgerichtet ist und ferner axial von der Mehrzahl von Permanentmagneten durch einen nichtmagnetischen Bereich beabstandet ist.

In einem dritten Aspekt wird ein Rotor für eine magnetisch getriebene Vorrichtung bereitgestellt, die axial beabstandete, magnetisch interagierende Komponenten umfasst, wobei der Rotor umfasst:

eine Stützstruktur;
eine Vielzahl von Permanentmagneten, die mit der Trägerstruktur verbunden sind; und
eine Flussabschirmung, die mit der Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die Flussabschirmung radial mit der Mehrzahl von Permanentmagneten ausgerichtet
ist und ferner radial von der Mehrzahl von Permanentmagneten durch einen nicht-magnetischen Bereich beabstandet ist.

Durch eine Flussabschirmung, wie oben beschrieben, wird unerwünschter Streufluss von den ersten Permanentmagneten gedämpft und/oder umgelenkt, um unerwünschte Wirbelströme in Komponenten der magnetisch getriebenen Vorrichtung zu vermeiden, die in ähnlicher Weise wie die ersten Permanentmagneten ausgerichtet sind. Dadurch werden die ohmschen Verluste reduziert. Da die Flussabschirmung von den ersten Dauermagneten beabstandet ist, wird außerdem ein magnetischer Kurzschluss zwischen den ersten Dauermagneten und der Flussabschirmung verhindert oder reduziert. Ein solcher Kurzschluss würde andernfalls verhindern, dass die Flussabschirmung den Streufluss wirksam reduziert, und kann sogar aktiv Fluss in die Leckagerichtung ziehen, was die Leistung verringert.
Wenn der Stator, der erste Rotor und der zweite Rotor konzentrisch angeordnet (d.h. radial zueinander ausgerichtet) sind, ist die Flussabschirmung außerdem in axialer Richtung von den ersten Permanentmagneten beabstandet, um den Fluss in axialer Richtung zu dämpfen und den Fluss in radialer Richtung zu verstärken. Die magnetische Kopplung zwischen dem radial ausgerichteten Stator, dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor wird dadurch verbessert, während problematische Wirbelströme aus axialem Streufluss reduziert werden. Wenn der Stator, der erste Rotor und der zweite Rotor axial ausgerichtet sind, ist die Flussabschirmung von den ersten Permanentmagneten in radialer Richtung beabstandet, um den Fluss in radialer Richtung zu dämpfen und den Fluss in axialer Richtung zu verstärken. Die magnetische Kopplung zwischen dem axial ausgerichteten Stator, dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor wird dadurch verbessert, während problematische Wirbelströme durch radialen Streufluss reduziert werden.
Zum Beispiel kann die erste Richtung die radiale Richtung sein (d.h. der Stator, der erste Rotor und der zweite Rotor können konzentrisch angeordnet sein), und die zweite Richtung kann die axiale Richtung sein. Alternativ dazu kann die erste Richtung die axiale Richtung und die zweite Richtung die radiale Richtung sein.
Wenn ein Material oder ein Bereich in der vorliegenden Offenbarung als nichtmagnetisch bezeichnet wird, ist dies so zu verstehen, dass das Material oder der Bereich nicht ferromagnetisch ist. Der nichtmagnetische Bereich kann eine magnetische Permeabilität ähnlich der von Luft haben. Zum Beispiel kann der nichtmagnetische Bereich eine relative magnetische Permeabilität von im Wesentlichen 1 haben. Dementsprechend ist der nichtmagnetische Bereich im Wesentlichen unmagnetisierbar. Dies trägt dazu bei, dass der Bereich nicht als Flussweg wirkt, selbst wenn er einem großen externen Magnetfeld (z. B. von der ersten Vielzahl von Permanentmagneten) ausgesetzt ist.
Der nichtmagnetische Bereich kann elektrisch isolierend sein (z. B. kann er einen elektrischen Isolator umfassen). Dies kann zu einer weiteren Verbesserung der Energieeffizienz beitragen, indem die Bildung von verlustbehafteten Wirbelströmen im nichtmagnetischen Bereich verhindert wird.
Eine Flussabschirmung kann eine Struktur zur Dämpfung und/oder Umleitung des magnetischen Flusses (z. B. des magnetischen Streuflusses) umfassen.
Die Flussmittelabschirmung kann aus einem Leiter bestehen. Beispielsweise kann die Flussabschirmung aus Kupfer bestehen. Kupfer ist zwar ein nichtmagnetisches Material, unterstützt aber Wirbelströme, wenn es einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld ausgesetzt ist (z. B. einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld, das dadurch entsteht, dass sich der erste und der zweite Rotor mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen). Die induzierten Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein eigenes Magnetfeld, das dem Magnetfeld, das sie verursacht hat, entgegenwirkt (gemäß der Lenz'schen Regel). Kurz gesagt, die Verwendung einer Kupferabschirmung dämpft jeglichen Streufluss von den Permanentmagneten. Da Kupfer außerdem einen vergleichsweise geringen elektrischen Widerstand hat, sind die ohmschen Verluste darin nicht hoch.
Die Flussabschirmung kann aus einem nicht magnetisierbaren (z. B. nicht magnetisierten ferromagnetischen) Material bestehen. Die Flussabschirmung kann zum Beispiel aus Stahl bestehen. Umfasst die Flussabschirmung ein nicht magnetisierbares magnetisierbares Material, kann sie in Umfangs-, Radial- oder Axialrichtung laminiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann er aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff „SMC“ bestehen. SMC besteht aus einem ferromagnetischen Pulver, das in eine elektrisch isolierende Folie eingebettet ist. Die Verwendung eines Laminats oder SMC kann dazu beitragen, Wirbelströme in der Flussabschirmung zu reduzieren, die ansonsten zu problematischen ohmschen Verlusten führen würden.
Besteht die Flussabschirmung aus einem nicht magnetisierten, magnetisierbaren Material, kann sie so geformt sein, dass Wirbelströme reduziert werden. Sie kann zum Beispiel in Umfangsrichtung oder radial geschlitzt sein. Sie kann ein abgeschrägtes oder abgerundetes Profil in radialer Richtung haben. Sie kann mit Durchgangslöchern versehen sein.
Die Flussabschirmung kann sowohl vom ersten als auch vom zweiten Rotor elektrisch isoliert sein. Das heißt, die Flussabschirmung kann an einem der beiden Rotoren mit einem isolierenden Material dazwischen befestigt werden. Das Isoliermaterial kann in einigen Beispielen aus einem nichtleitenden Klebstoff bestehen.
Der nichtmagnetische Bereich kann aus einem Luftspalt bestehen. Alternativ kann der nichtmagnetische Bereich aus einem Abstandshalter bestehen, z. B. aus Glasfaser, Kohlefaser, technischem Kunststoff oder Holz. Alle diese Materialien haben eine relative magnetische Permeabilität von im Wesentlichen 1. In einigen Beispielen kann jeder der ersten Permanentmagnete durch ein entsprechendes Abstandssegment von der Flussabschirmung beabstandet sein. Die Verwendung eines nichtmagnetischen Abstandshalters mit einer magnetischen Permeabilität, die der von Luft ähnelt, kann verhindern, dass der Fluss in die unerwünschte Streurichtung gezogen wird, während die Flussabschirmung gleichzeitig in der Lage ist, jeglichen Fluss, der sich in die unerwünschte Streurichtung bewegt, umzulenken oder zu dämpfen. Durch die Verwendung eines Abstandshalters anstelle eines Luftspalts kann die Konstruktion vereinfacht werden, da die Flussabschirmung an dem Abstandshalter befestigt werden kann.
Der erste Rotor, der Stator und der zweite Rotor können jeweils um eine Welle angeordnet sein (z. B. eine drehbare Welle oder, wenn anstelle von Rotoren Translatoren verwendet werden, eine translatorische Welle). Der erste oder der zweite Rotor kann mechanisch mit der Welle gekoppelt sein. Beispielsweise kann der erste oder der zweite Rotor so konfiguriert sein, dass er die Welle antreibt. Die Welle kann so konfiguriert sein, dass sie sich relativ zum Stator und dem anderen von dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor bewegt. Beispielsweise können der Stator und der andere des ersten Rotors und des zweiten Rotors über Lager mit der Welle gekoppelt sein.
Der erste Rotor, der Stator und der zweite Rotor können im Wesentlichen konzentrisch um die drehbare Welle angeordnet sein. Der zweite Rotor kann drehbar mit der drehbaren Welle gekoppelt sein. Zum Beispiel kann der zweite Rotor so konfiguriert sein, dass er die drehbare Welle antreibt. Die drehbare Welle kann so konfiguriert sein, dass sie sich relativ zum Stator und zum ersten Rotor dreht. Beispielsweise kann die drehbare Welle mit dem Stator und dem ersten Rotor über Lager gekoppelt sein, so dass sich die Welle drehen kann, ohne eine Drehung des Stators und des ersten Rotors zu verursachen.
Alternativ können der erste Rotor, der Stator und der zweite Rotor um die Welle herum angeordnet und axial zueinander ausgerichtet sein (d. h. in einer Richtung parallel zur drehbaren Welle). Zum Beispiel kann der Stator axial vom ersten Rotor beabstandet sein, und der zweite Rotor kann axial zwischen dem Stator und dem ersten Rotor angeordnet sein. Der zweite Rotor kann drehbar mit der drehbaren Welle gekoppelt sein. Beispielsweise kann der zweite Rotor so konfiguriert sein, dass er die drehbare Welle antreibt. Die drehbare Welle kann mit dem Stator und dem ersten Rotor über Lager gekoppelt sein, so dass sich die drehbare Welle drehen kann, ohne eine Drehung des Stators und des ersten Rotors zu verursachen.
Alternativ dazu können, wenn die Läufer des ersten Aspekts Translatoren umfassen, der erste Translator, der Stator und der zweite Translator um eine translatorische Welle herum angeordnet sein. Zum Beispiel können der erste Translator, der Stator und der zweite Translator im Wesentlichen konzentrisch um die übertragbare Welle angeordnet sein. Sowohl der erste Translator als auch der zweite Translator können relativ zum Stator verschiebbar sein. Der erste Translator kann mit der verschiebbaren Welle gekoppelt sein, um die Verschiebung der verschiebbaren Welle anzutreiben.
Jedes der obigen Beispiele kann auch eine weitere Welle umfassen, wobei der erste Rotor/Translator an der weiteren Welle befestigt ist, um die Bewegung der weiteren Welle anzutreiben. Die weitere Welle kann so konfiguriert sein, dass sie sich relativ zu dem zweiten Rotor/Translator und dem Stator bewegt.
Die Mehrzahl der ersten Dauermagnete kann in Umfangsrichtung angeordnet sein. Ebenso kann die Mehrzahl der Polstücke am Umfang angeordnet sein. Ebenso kann die Mehrzahl der Wicklungen in Umfangsrichtung angeordnet sein. Jeder der ersten Permanentmagnete kann eine vordefinierte Bogenlänge um einen Umfang des ersten Rotors einnehmen, und die Flussabschirmung kann von den ersten Permanentmagneten um einen Abstand beabstandet sein, der zwischen einem Zehntel und der Hälfte der vordefinierten Bogenlänge liegt. Die Erfinder haben festgestellt, dass dieser Abstand die Leistung und den Wirkungsgrad optimieren kann. Wäre der Abstand kleiner, könnte der Fluss von den ersten Dauermagneten in die Flussabschirmung geleitet werden, was die Leistung der Maschine verringern würde. Wäre der Trennungsabstand größer, gäbe es möglicherweise nur einen kleinen Raum zwischen der Flussabschirmung und dem zweiten Rotor, was zu Streufluss von der Flussabschirmung zum zweiten Rotor führen würde.
Der zweite Rotor kann eine Polschuh-Trägerstruktur umfassen, die mechanisch mit der drehbaren Welle verbunden ist. Die Polschuhe können mit der Polschuh-Trägerstruktur verbunden sein. Die Polstückträgerstruktur kann ein Leiter sein. Sie kann zum Beispiel aus einem Metall bestehen. Sie kann z. B. aus einem Metall bestehen. Die Flussabschirmung kann axial zwischen der Mehrzahl der ersten Permanentmagnete und der Polstückträgerstruktur angeordnet sein, um dadurch zu verhindern, dass axialer Fluss in die Polstückträgerstruktur eindringt. Wirbelströme und ohmsche Verluste in der Polschuhstruktur können dadurch reduziert oder verhindert werden.
Die Polschuh-Stützstruktur kann ein erstes Stützelement an einem ersten axialen Ende des zweiten Rotors, optional ein zweites Stützelement an einem zweiten axialen Ende des zweiten Rotors und optional ein drittes Stützelement axial zwischen dem ersten und zweiten Stützelement umfassen. Jedes der Stützelemente kann eine Scheibe umfassen, die in ihrer Mitte mit der drehbaren Welle verbunden ist, oder eine Vielzahl von Speichen, die sich radial von der drehbaren Welle erstrecken. Die Vorrichtung kann eine Vielzahl von Flussabschirmungen umfassen, wobei jede Flussabschirmung axial zwischen den ersten Polschuhen und jeweils einem der Stützelemente angeordnet ist.
Die Vorrichtung oder der Rotor kann eine erste Flussabschirmung umfassen, die axial von einem ersten axialen Ende der ersten Permanentmagnete beabstandet ist, und/oder kann eine zweite Flussabschirmung umfassen, die axial von einem zweiten axialen Ende der ersten Permanentmagnete beabstandet ist. Wenn die Polstückträgerstruktur auch das dritte Trägerelement umfasst, kann die Vorrichtung ferner eine dritte Flussabschirmung umfassen, die axial von einer ersten Seite des dritten Trägerelements beabstandet ist, und eine vierte Flussabschirmung, die axial von einer zweiten Seite des dritten Trägerelements beabstandet ist.
In einigen Beispielen kann jede Flussabschirmung an einem der Trägerelemente befestigt werden, so dass sie axial mit den ersten Permanentmagneten ausgerichtet und axial von den ersten Permanentmagneten beabstandet ist. Ein nichtmagnetischer, elektrisch isolierender Abstandshalter kann zwischen jeder Flussabschirmung und ihrem jeweiligen Trägerelement vorgesehen werden.
Die mehreren Polschuhe können über einen nichtmagnetischen (und optional elektrisch isolierenden) Polschuhabstandshalter mit dem/den Trägerelement(en) verbunden sein, so dass die mehreren Polschuhe axial von dem/den Trägerelement(en) beabstandet sind. Jedes der Polstücke kann durch entsprechende Polstück-Abstandshalter axial von dem/den Trägerelement(en) beabstandet sein. Dadurch wird der Spalt zwischen Polschuh und Flussabschirmung vergrößert, was die Reluktanz des Flusspfades erhöht und somit die Flussabschirmung durch Verringerung der Flussdichte der Abschirmung verbessert. Der nichtmagnetische Polschuhabstandshalter kann aus demselben Material bestehen wie der Abstandshalter des ersten Aspekts. Beispielsweise kann der nichtmagnetische Polschuh-Abstandhalter aus Glasfaser, Kohlefaser, technischem Kunststoff oder Holz bestehen.
Der erste Rotor, der Stator und der zweite Rotor können jeweils in einem Gehäuse untergebracht sein. Das Gehäuse kann aus Metall bestehen, zum Beispiel aus Stahl oder Aluminium. Die Flussabschirmung kann axial zwischen der Mehrzahl der ersten Permanentmagnete und dem Gehäuse angeordnet sein. Dadurch können Wirbelströme - und damit ohmsche Verluste - im Gehäuse reduziert oder verhindert werden.
Der erste Rotor kann eine Permanentmagnet-Trägerstruktur umfassen. Die ersten Dauermagnete können mit der Dauermagnetträgerstruktur verbunden sein. Die Flussabschirmung kann mit der Dauermagnetträgerstruktur gekoppelt sein. Zum Beispiel kann die Flussabschirmung mit der Permanentmagnetträgerstruktur gekoppelt werden, wobei der nichtmagnetische Bereich dazwischen liegt.
Die Flussabschirmung kann so angeordnet werden, dass sie mit dem axialen Streuflusspfad von den ersten Permanentmagneten zusammenfällt. Er kann beispielsweise so angeordnet sein, dass er eine radial äußere Kante des Abstandshalters zumindest teilweise umgibt.
Die Flussabschirmung kann einen ringförmigen Ring umfassen, der so angeordnet ist, dass er axial mit der Mehrzahl der ersten Dauermagneten fluchtet. Die Flussabschirmung kann eine Vielzahl von Umfangssegmenten umfassen, die so angeordnet sind, dass sie den ringförmigen Ring bilden. Die Umfangssegmente können in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sein, zum Beispiel durch einen kleinen Luftspalt. Dadurch können die Wirbelströme weiter reduziert werden.
Der Stator kann ferner eine zweite Vielzahl von Permanentmagneten umfassen, die zwischen den Wicklungen und dem zweiten Rotor angeordnet sind. Die zweite Vielzahl von Dauermagneten kann am Stator, z. B. an einer Innenfläche des Stators, angebracht sein.
Die Flussmittelabschirmung kann eine abgeschrägte radiale Innenfläche und eine abgeschrägte radiale Außenfläche aufweisen. Alternativ kann die Flussmittelabschirmung ein abgerundetes Querschnittsprofil aufweisen. In einigen Beispielen kann sich die Flussmittelabschirmung zumindest teilweise entlang einer radialen Außenkante des Abstandshalters erstrecken. Diese Anordnungen können dazu beitragen, den axialen Streufluss weiter zu den ersten Permanentmagneten und Polschuhen umzuleiten und dadurch die ohmschen Verluste zu verringern.
Die ersten Dauermagnete können abgeschrägt sein, so dass jeder der ersten Dauermagnete an seinem radial äußeren Rand axial kürzer ist als an seinem radial inneren Rand. Die Polstücke können so abgeschrägt sein, dass jeder der ersten Dauermagnete an seiner radial inneren Kante axial kürzer ist als an seiner radial äußeren Kante. Dies kann dazu beitragen, die Reluktanz des Flusspfades zwischen den radial äußeren Kanten der ersten Dauermagnete und den radial äußeren Kanten der Polstücke zu erhöhen, was mit der Zeit dazu beitragen kann, den axialen Streufluss zu verringern.
Außerdem wird hier eine magnetisch getriebene Vorrichtung offenbart, die Folgendes umfasst:

einen ersten Rotor mit einer Vielzahl von ersten Permanentmagneten;
einen Stator; und
einen zweiten Rotor, der zwischen dem ersten Rotor und dem Stator angeordnet ist, wobei der zweite Rotor eine Polstückträgerstruktur umfasst, wobei die Polstückträgerstruktur Wandbereiche und einen Polstückbereich umfasst, und eine Vielzahl von Polstücken, die mit dem Polstückbereich gekoppelt sind;
wobei der erste Rotor, der Stator und der zweite Rotor konzentrisch um eine Welle herum angeordnet sind, und wobei mindestens ein Wandbereich der Stückträgerstruktur axial von der Mehrzahl der ersten Permanentmagneten beabstandet ist, um den axialen Streufluss in den mindestens einen Wandbereich von der Mehrzahl der ersten Permanentmagneten zu minimieren.

Die Polstückträgerstruktur kann durch einen Luftspalt axial von der Mehrzahl der ersten Permanentmagnete beabstandet sein.
Wenn jeder der ersten Dauermagnete eine vordefinierte Bogenlänge um den Umfang des ersten Rotors einnimmt, kann die Flussabschirmung von den ersten Dauermagneten um einen Abstand beabstandet sein, der zwischen einem Zehntel und der Hälfte der vordefinierten Bogenlänge liegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1a zeigt schematisch eine erste magnetisch getriebene Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
1b zeigt die magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß 1a, gesehen in der axialen Richtung A-A;
2a zeigt schematisch eine zweites magnetisch getriebene Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
2b zeigt die magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß 2a, gesehen in der axialen Richtung A-A;
3a zeigt eine magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3b zeigt eine Variante der zweiten magnetisch getriebenen Vorrichtung gemäß 3a;
4 zeigt eine dritte magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 zeigt eine vierte magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
6 zeigt eine fünftes magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
7 zeigt eine sechste magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
8a zeigt eine siebte magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
8b zeigt eine Variante der magnetisch getriebenen Vorrichtung aus 8a;
9 zeigt eine achte magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
10 zeigt eine neunte magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
11 zeigt eine zehnte magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
12 zeigt eine elfte magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
13 zeigt einen Rotor im Sinne der vorliegenden Offenbarung;
14 zeigt eine Illustration des axialen Streuflusses in eine magnetisch getriebenen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
15a zeigt die magnetische Flussdichte in einem Trägerelement innerhalb einer magnetisch betriebenen Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
15b zeigt die magnetische Flussdichte in einem Trägerelement innerhalb einer magnetisch betriebenen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
Die 16a-16d zeigen verschiedene Flussabschirmungsstrukturen zur Verwendung in einem der Beispiele der vorliegenden Offenbarung;
17 zeigt eine erste axial angeordnete magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
18 zeigt eine zweite, axial angeordnete, magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
19 zeigt eine dritte axial angeordnete magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
20 zeigt eine lineare magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
21 zeigt einen ersten magnetischen Antrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung;
22 zeigt einen zweiten magnetischen Antrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung;
23 zeigt einen dritten magnetischen Antrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
24 zeigt einen vierten magnetischen Antrieb im Sinne der vorliegenden Offenbarung.

In den Zeichnungen werden für gleiche Bauteile gleiche Bezugsziffern verwendet.
Ausführliche Beschreibung
Dabei bezieht sich die axiale Richtung auf die in den 1a und 2a dargestellte Richtung A-A. Werden zwei Bauteile als axial ausgerichtet bezeichnet, so sind sie in einer Richtung parallel zur Achse A-A zueinander ausgerichtet. Werden zwei Bauteile als axial voneinander beabstandet bezeichnet, so besteht zwischen ihnen ein Abstand in einer Richtung parallel zur Achse A-A. Die radiale Richtung ist definiert als senkrecht zur Achse A-A. Die Umfangsrichtung ist so definiert, dass sie konzentrisch zur Achse A-A verläuft.
Wie in 1a dargestellt, weist der zweite Rotor 106 der ersten magnetisch getriebenen Vorrichtung 100 eine „offene Schalen“-Konfiguration auf, bei der die Polstücke 112 von einer Polstück-Tragstruktur getragen werden, die ein einzelnes Stahlträgerelement 126 an einem ersten axialen Ende der Polstücke 112 umfasst. Am zweiten axialen Ende der Polschuhe 112 ist kein Stützelement vorhanden. Stahl wird wegen seiner hohen Steifigkeit als Stützelement verwendet, wodurch eine Verformung des zweiten Rotors 106 verhindert wird.
Im Gegensatz dazu sehen wir mit Bezug auf 2a, dass der zweite Rotor 106 der zweiten magnetisch angetriebenen Vorrichtung 200 eine „geschlossene Schalen“-Konfiguration aufweist, in der die Polstücke 112 von einer Polstück-Tragstruktur getragen werden, die ein erstes Stahlträgerelement 126a (hier manchmal als Wandbereich bezeichnet) an einem ersten axialen Ende der Polstücke 112 und ein zweites Stahlträgerelement 126b (hier manchmal auch als Wandbereich bezeichnet) an einem zweiten axialen Ende der Polstücke 112 umfasst. Zwischen den Wandbereichen ist ein Polschuhbereich definiert, der die Polschuhe 112 umfasst. In 2a ist auch ein Aluminiumgehäuse 122 dargestellt. Der Stator 102 ist an einer Innenfläche des Gehäuses 122 befestigt. Das Gehäuse 122 verbirgt die beweglichen Komponenten der Vorrichtung 200. Aluminium ist leicht und haltbar und daher ein geeignetes Gehäusematerial.
Wie der Leser verstehen wird, könnte die erste magnetisch getriebene Vorrichtung 100 eine geschlossene Becherkonfiguration haben, wie in 2a gezeigt, und die zweite magnetisch getriebene Vorrichtung 200 könnte eine offene Becherkonfiguration haben, wie in 1a gezeigt. Darüber hinaus kann die Vorrichtung 100 auch ein Aluminiumgehäuse 122 umfassen, obwohl dies in 1a nicht dargestellt ist.
Wie der Leser verstehen wird, wird durch das Ersetzen des Stators durch einen weiteren Rotor, der die zweite Vielzahl von Permanentmagneten 120 enthält, und den Verzicht auf die Wicklungen einen magnetischen Antrieb ohne Wicklungen mit einem festen Übersetzungsverhältnis gebildet. Dies gilt z.B. auch für die 4-7.
Die Erfinder haben festgestellt, dass der magnetische Fluss axial von den axialen Enden der ersten Dauermagneten 110 in die Stahlträger 126 und das Gehäuse 122 abwandern kann. Wenn dies geschieht, werden in diesen Komponenten Wirbelströme induziert, die wiederum zu ohmschen Verlusten in der ersten magnetisch getriebenen Vorrichtung 100 und in der zweiten magnetisch getriebenen Vorrichtung 200 führen. Die Stahlträger könnten gefräst, gebohrt oder geformt werden, um die Wirbelströme zu reduzieren. Dies würde sich jedoch negativ auf die strukturelle Steifigkeit und Robustheit des Trägerelements bzw. der Trägerelemente auswirken. Obwohl durchgängig von Stahl als Metall der Wahl die Rede ist, können auch andere Metalle verwendet werden, und die hier offengelegten Merkmale eignen sich für den Einsatz in jeder magnetisch getriebenen Vorrichtung, in der aufgrund des axialen Streuflusses unbeabsichtigt Wirbelströme induziert werden können.
Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit diesem Problem des axialen Streuflusses. In jeder der 3 bis 12 ist eine magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt, in der eine Flussabschirmung angeordnet ist, um zu verhindern oder zu reduzieren, dass axialer Streufluss zu Wirbelströmen in dem/den Stahlträger(n) 126 oder dem Aluminiumgehäuse 122 führt. In 13 ist ein Rotor gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt, der als erster Rotor 104 in der ersten magnetisch getriebenen Vorrichtung oder als erster Rotor 104 in der zweiten magnetisch getriebenen Vorrichtung verwendet werden kann. Wie der Leser verstehen wird, können die in diesem Dokument offenbarten Prinzipien auf magnetische Antriebe (siehe z.B. die 21-24 unten), auf magnetische Motoren/Generatoren (siehe z.B. die 4-7 und 17-20 unten) und auf magnetische Leistungsverteilungsvorrichtungen (siehe z.B. die 3a, 3b, 3c unten) angewendet werden.
In jedem der nachstehenden Beispiele kann die Flussabschirmung mit Klebstoff, Schrauben, Nieten oder Klammern oder auch mit anderen Befestigungsmitteln an der Vorrichtung angebracht werden. Wie der Leser verstehen wird, könnte die Flussabschirmung in jedem der nachstehenden Beispiele in Kombination mit einer ersten magnetisch getriebenen Vorrichtung 100 gemäß den 1a-1b oder in Kombination mit einer zweiten magnetisch getriebenen Vorrichtung gemäß den 2a-2b verwendet werden, um die Leistung und Effizienz zu verbessern. Wie im Folgenden näher beschrieben wird, ist die (oder jede) Flussabschirmung durch einen nichtmagnetischen, elektrisch isolierenden Bereich von den ersten Permanentmagneten beabstandet. Bei dem nichtmagnetischen, elektrisch isolierenden Bereich kann es sich um eine Abstandshalterkomponente handeln (siehe z. B. die Abstandshalter 304a, 304b in 3a). Alternativ kann es sich auch um einen Luftspalt handeln (siehe z. B. 6).
In den folgenden Beispielen besteht die Flussabschirmung aus einem nicht magnetisierten weichmagnetischen Verbundwerkstoff. In einigen Beispielen kann er jedoch auch aus laminierten Stahlblechen bestehen. In anderen Beispielen kann er aus Kupfer bestehen.
3a zeigt eine dritte magnetisch getriebene Vorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die magnetisch getriebene Vorrichtung 300 enthält nur eine erste Mehrzahl von Permanentmagneten 110. Das heißt, es enthält keine zweite Vielzahl von Permanentmagneten, die mit dem Stator gekoppelt sind. Daher eignet sie sich besonders für die Verwendung als Leistungsverzweigungsvorrichtung, ähnlich wie in den 1a-1b. Die dritte magnetisch getriebene Vorrichtung 300 umfasst eine erste ringförmige Magnetflussabschirmung 302a an einem ersten axialen Ende des ersten Rotors 104 und eine zweite ringförmige Magnetflussabschirmung 302b an einem zweiten axialen Ende des ersten Rotors 104. Jede der Flussabschirmungen 302a, 302b ist axial mit den ersten Permanentmagneten 110 ausgerichtet und von den ersten Permanentmagneten 110 durch einen entsprechenden ringförmigen Abstandshalter 304a, 304b beabstandet. Das heißt, dass jeder Abstandshalter 304a/304b zwischen einem axialen Ende der ersten Dauermagneten 110 und einer entsprechenden magnetischen Flussabschirmung 302a/302b angeordnet ist. In einem alternativen Beispiel kann jede Flussabschirmung 302a/302b von einem entsprechenden axialen Ende der ersten Permanentmagneten 110 durch einen entsprechenden Luftspalt anstelle eines Abstandshalters oder zusätzlich zu einem Abstandshalter beabstandet sein.
Aufgrund der Positionierung und des Materials der Flussabschirmungen 302a, 302b reduzieren oder verhindern die Flussabschirmungen 302a, 302b im Wesentlichen, dass axiale Streuflusslinien von den ersten Permanentmagneten 110 das Stahlträgerelement 126 erreichen, und reduzieren oder verhindern im Wesentlichen, dass axiale Streuflusslinien das Metallgehäuse 122 erreichen.
In 3a sind die radiale Richtung R und die axiale Richtung A gekennzeichnet. Die radiale Richtung R steht senkrecht zur axialen Richtung A. Wie man sieht, sind der Stator 102, der erste Rotor 104 und der zweite Rotor 106 konzentrisch angeordnet. Das heißt, dass sie in radialer Richtung ausgerichtet sind. Die Flussabschirmung 302a hingegen ist in axialer Richtung mit den ersten Permanentmagneten 110 ausgerichtet und in axialer Richtung von den ersten Permanentmagneten 110 beabstandet. Dementsprechend dämpft die Flussabschirmung 302a den in axialer Richtung streuenden Fluss und fördert die Ausbreitung des Flusses in radialer Richtung, d. h. radial zu den Polschuhen 112 und dem Stator 102.
Ebenfalls in 3a dargestellt sind eine Eingangswelle 118a und eine Ausgangswelle 118b. Die Eingangswelle 118a ist mechanisch mit dem ersten Rotor 104 gekoppelt, so dass die Eingangswelle 118a den ersten Rotor 104 antreibt. Die Ausgangswelle 118b ist mechanisch mit dem zweiten Rotor 106 gekoppelt, so dass der zweite Rotor die Ausgangswelle 118b antreibt. Die Eingangswelle 118a erstreckt sich von einem ersten axialen Ende der magnetisch getriebenen Vorrichtung 300, während sich die Ausgangswelle 118b von einem zweiten axialen Ende der magnetisch getriebenen Vorrichtung 300 erstreckt. Der zweite Rotor 106 weist eine offene Schalenstruktur auf und ist an seinem ersten axialen Ende offen, um die Eingangswelle 118a aufnehmen zu können. Der erste Rotor 104 weist ebenfalls eine offene Schalenstruktur auf und ist an seinem zweiten axialen Ende offen, um die Ausgangswelle 118b aufzunehmen. Die Eingangswelle 118a ist über Lager 124 mit dem Gehäuse 122 verbunden. Die Ausgangswelle 118b ist über Lager 124 mit dem Gehäuse 122 und dem ersten Rotor 104 gekoppelt. Der erste Rotor 104 ist der radial am weitesten innen liegende Rotor. Der zweite Rotor 106 ist radial zwischen dem ersten Rotor 104 und dem Stator 102 angeordnet.
Da der zweite Rotor 106 eine offene Struktur hat und an seinem ersten axialen Ende offen ist, enthält er nur ein einziges (zweites) Stahlstützglied 126b. Es ist diese Anordnung, die die offene Schalenstruktur definiert. Aufgrund dieser offenen Schalenstruktur verhindert die erste Flussabschirmung 302a am ersten axialen Ende der ersten Permanentmagneten 110, dass axialer Streufluss das Gehäuse 122 erreicht. Die zweite Flussabschirmung 302b verhindert, dass axialer Streufluss das Stahlträgerelement 126b erreicht. In einigen Beispielen, in denen ein ausreichend großer Spalt zwischen den ersten Permanentmagneten 110 und dem Gehäuse 122 am ersten axialen Ende der Vorrichtung (d.h. dem Ende, das vom Stahlträgerelement 126b entfernt ist) vorhanden ist, kann auf die erste Flussabschirmung 302a verzichtet werden.
3b zeigt eine Variante 300' der in 3a gezeigten magnetisch getriebenen Vorrichtung 300. Ähnlich wie in 3a umfasst die magnetisch getriebene Vorrichtung 300' in 3b eine Eingangswelle 118a und eine Ausgangswelle 118b. Die Eingangswelle 118a ist mechanisch mit dem ersten Rotor 104' gekoppelt, so dass die Eingangswelle 118a den ersten Rotor 104' antreibt. Die Ausgangswelle 118b ist mechanisch mit dem zweiten Rotor 106' gekoppelt, so dass der zweite Rotor 106' die Ausgangswelle 118b antreibt. Die Abtriebswelle 118b besteht aus einer Hohlwelle 118b, die direkt mit dem ersten Stahlträger 126a verbunden ist. Sowohl die Eingangswelle 118a als auch die Ausgangswelle 118b erstrecken sich von demselben (ersten) axialen Ende der magnetisch getriebenen Vorrichtung 300' und sind konzentrisch zueinander. Die Eingangswelle 118a ist konzentrisch in der hohlen Ausgangswelle 118b angeordnet. Die Eingangswelle 118a ist über Lager mit dem Gehäuse 122 und mit dem zweiten Rotor 106' gekoppelt. Die Ausgangswelle 118b ist über Lager mit dem Gehäuse 122 und dem ersten Rotor 104' gekoppelt.
4 zeigt eine vierte magnetisch getriebene Vorrichtung 400 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die magnetisch getriebene Vorrichtung 400 umfasst sowohl eine erste Mehrzahl von Permanentmagneten 110 als auch eine zweite Mehrzahl von Permanentmagneten 120. Daher eignet sie sich besonders für die Verwendung als Motor/Generator mit hohem Drehmoment, ähnlich wie in den 2a-2b. Die vierte magnetisch getriebene Vorrichtung 400 umfasst die gleichen Flussabschirmungen 302a, 302b und Abstandshalter 304a, 304b wie die dritte magnetisch getriebene Vorrichtung 300. Die Flussabschirmungen 302a, 302b der 4 bieten die gleichen Vorteile wie die der 3a-c.
5 zeigt eine fünfte magnetisch getriebene Vorrichtung 500 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die fünfte magnetisch getriebene Vorrichtung 500 ähnelt der vierten magnetisch getriebenen Vorrichtung 400 von 4, jedoch ist die erste Mehrzahl von Permanentmagneten 110 in zwei Unter-Vielzahlen von Permanentmagneten aufgeteilt. Der zweite Rotor 106 ist dementsprechend in zwei Hälften unterteilt und umfasst eine erste Mehrzahl von Polstücken 112a in einer ersten Hälfte und eine zweite Mehrzahl von Polstücken 112b in einer zweiten Hälfte. Ferner umfasst der zweite Rotor 106 ein erstes Stahlträgerelement 126a am ersten axialen Ende der ersten Hälfte, ein zweites Stahlträgerelement 126b am zweiten axialen Ende der zweiten Hälfte und ein drittes Stahlträgerelement 126c axial zwischen dem ersten und zweiten Trägerelement 126a, 126b. Das dritte Stahlträgerelement 126c ist zwischen der ersten Mehrzahl von Polstücken 112a und der zweiten Mehrzahl von Polstücken 112b angeordnet. Darüber hinaus umfasst die Mehrzahl der ersten Dauermagnete 110 eine erste Teilmehrheit der ersten Dauermagnete 110a an einer ersten Hälfte des ersten Rotors 104 und eine zweite Teilmehrheit der ersten Dauermagnete 110b an einer zweiten Hälfte des ersten Rotors 104. Die erste Mehrzahl von Polschuhen 112a des zweiten Rotors 106 entspricht der ersten Teilmehrheit von Permanentmagneten 110a des ersten Rotors 104 (ist radial mit ihr ausgerichtet), und in ähnlicher Weise entspricht die zweite Mehrzahl von Polschuhen 112b des zweiten Rotors 106 der zweiten Teilmehrheit von Permanentmagneten 110b des ersten Rotors 104(ist radial mit ihr ausgerichtet).
Der erste Rotor 104 umfasst eine erste ringförmige Flussabschirmung 302a, die von einem ersten axialen Ende der ersten Teilmenge von Permanentmagneten 110a durch einen ersten Abstandshalter 304a axial beabstandet ist; eine zweite ringförmige Flussabschirmung 302b, die von einem zweiten axialen Ende der zweiten Teilmenge von Permanentmagneten 110b durch einen zweiten Abstandshalter 304b axial beabstandet ist; eine dritte ringförmige Flussabschirmung 302c, die durch ein drittes Abstandsstück 304c axial von dem zweiten axialen Ende der ersten Teilmenge von ersten Permanentmagneten 110a beabstandet ist; und eine vierte ringförmige Flussabschirmung 302d, die durch ein viertes Abstandsstück 304d axial von dem ersten axialen Ende der zweiten Teilmenge von ersten Permanentmagneten 110b beabstandet ist. Dementsprechend reduzieren oder verhindern die dritte und vierte axiale Flussabschirmung 302c, 302d im Wesentlichen, dass axialer Fluss in das dritte Stahlträgerelement 126c entweicht, während die erste axiale Flussabschirmung 302a ein Entweichen in das erste Stahlträgerelement 126a reduziert oder im Wesentlichen verhindert und die zweite axiale Flussabschirmung 302b ein Entweichen in das zweite Stahlträgerelement 126b reduziert oder im Wesentlichen verhindert.
6 zeigt eine sechste magnetisch getriebene Vorrichtung 600 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die sechste magnetisch getriebene Vorrichtung 600 ist ähnlich der vierten magnetisch getriebenen Vorrichtung 400, wobei die Abstandshalter 304a, 304b fehlen. Die sechste magnetisch getriebene Vorrichtung 600 umfasst daher eine erste ringförmige Magnetflussabschirmung 302a, die mit einem ersten axialen Ende der mehreren ersten Permanentmagneten 110 ausgerichtet und axial davon beabstandet ist, und eine zweite ringförmige Magnetflussabschirmung 302b, die mit einem zweiten axialen Ende der mehreren ersten Permanentmagneten 110 ausgerichtet und axial davon beabstandet ist. Im Gegensatz zu früheren Beispielen umfasst der Abstand zwischen der Vielzahl der ersten Permanentmagnete 110 und jeder der Flussabschirmungen 302a, 302b jedoch stattdessen einen Luftspalt. Insbesondere ist jede der Flussabschirmungen 302a, 302b nicht an dem ersten Rotor 104 befestigt, sondern an einer Innenfläche des ersten bzw. zweiten Trägerelements 126a, 126b und ist axial von der Vielzahl der ersten Permanentmagneten 110 durch einen Luftspalt beabstandet. Es ist daher ersichtlich, dass Abstandshalter nicht unbedingt erforderlich sind, solange ein nichtmagnetischer und elektrisch isolierender Bereich zwischen den axialen Enden der mehreren Permanentmagnete und den jeweiligen Flussabschirmungen vorgesehen ist. Dieser Bereich kann durch einen Abstandshalter, wie zuvor beschrieben, durch einen Luftspalt oder durch eine Kombination aus beidem bereitgestellt werden.
7 zeigt eine siebte magnetisch getriebene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die siebte magnetisch getriebene Vorrichtung 700 stellt eine leichte Abwandlung der magnetisch getriebenen Vorrichtung 600 aus 6 dar. Insbesondere ist die erste Magnetflussabschirmung 302a in der siebten magnetisch getriebenen Vorrichtung 700 an dem ersten Trägerelement 126a mit einem ersten Abstandshalter 304a dazwischen befestigt; und der zweite Magnetflussabstandshalter 302b in der siebten magnetisch getriebenen Vorrichtung 700 ist an dem zweiten Trägerelement 126b mit einem zweiten Abstandshalter 304b dazwischen befestigt. Dementsprechend ist die erste Magnetflussabschirmung 302a durch einen elektrisch isolierenden Bereich, der einen Luftspalt umfasst, axial von der Vielzahl der ersten Permanentmagneten 110 und durch den ersten Abstandshalter 304a von dem ersten Trägerelement 126a beabstandet. In ähnlicher Weise ist die zweite Magnetflussabschirmung 302b durch einen elektrisch isolierenden Bereich, der einen Luftspalt umfasst, axial von der Vielzahl der ersten Permanentmagneten 110 und durch das zweite Abstandsstück 304b von dem zweiten Trägerelement 126b beabstandet.
Wie in den 3 bis 7 dargestellt, können die Flussschilde 302 ein rechteckiges Querschnittsprofil haben. Wie in den 8a, 8b und 9 gezeigt, können die Flussschilde 302 jedoch ein nicht rechteckiges Querschnittsprofil haben. Zwei solche nicht rechteckigen Querschnittsprofile sind in den 8a, 8b und 9 dargestellt.
Die erste magnetische Flussabschirmung 302a in der magnetisch angetriebenen Vorrichtung 800 von 8a hat im Wesentlichen einen dreieckigen Querschnitt, insbesondere eine abgeschrägte radial innere Kante und eine abgeschrägte radial äußere Kante, so dass die erste Flussabschirmung 302a in der radialen Mitte ihres Querschnitts am dicksten ist. In anderen Beispielen kann die erste magnetische Flussabschirmung 302a ein abgerundetes Querschnittsprofil aufweisen. In der magnetisch angetriebenen Vorrichtung 801 von 8b kann die erste magnetische Flussabschirmung 302a beispielsweise als gebogenes Segment geformt sein, so dass die Flussabschirmung 302a in der radialen Mitte ihres Querschnitts am dicksten ist. Das spezifische Querschnittsprofil kann entsprechend dem Verlauf des Streuflusses in der betreffenden magnetisch betriebenen Vorrichtung gewählt werden. Ein abgeschrägtes Querschnittsprofil, wie in 8a gezeigt, oder ein abgerundetes Querschnittsprofil, wie in 8b gezeigt, kann besonders nützlich für eine magnetisch getriebene Vorrichtung sein, bei dem sich ein Großteil des axialen Streuflusses von einem radialen Mittelpunkt jedes der ersten Permanentmagnete 110 aus erstreckt. In solchen Beispielen trägt das abgeschrägte oder abgerundete Profil außerdem dazu bei, Wirbelströme und damit ohmsche Verluste in den Polschuh-Trägerelementen zu reduzieren oder im Wesentlichen zu verhindern.
In weiteren Beispielen kann die Flussabschirmung Schlitze, Löcher, Taschen und/oder Rillen aufweisen. Die Schlitze können in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung ausgebildet sein. Solche Merkmale können dazu beitragen, Wirbelströme und damit ohmsche Verluste in der Flussabschirmung selbst zu verringern. Mehr dazu in den 16a-16d unten.
9 zeigt eine Teilansicht einer neunten magnetisch getriebenen Vorrichtung 900 gemäß der vorliegenden Offenbarung. In der magnetisch getriebenen Vorrichtung 900 von 9 erstreckt sich die erste Magnetflussabschirmung 302a teilweise entlang einer radial äußeren Kante des ersten Abstandshalters 304a. Dementsprechend werden zumindest einige Streuflusslinien, die sich von der radial äußeren Kante der mehreren ersten Permanentmagneten 110 erstrecken, von der Flussabschirmung aufgefangen.
Die 8a, 8b und 9 zeigen zwar nicht das zweite axiale Ende der magnetisch getriebenen Vorrichtung 800, 900, aber der Leser wird verstehen, dass die magnetisch getriebene Vorrichtung in jedem dieser Beispiele eine zweite magnetische Flussabschirmung 302b und einen zweiten Abstandshalter 304b enthalten kann, wie in den vorherigen Beispielen. Die zweite magnetische Flussabschirmung 302b und der zweite Abstandshalter 304b können in jedem Beispiel das gleiche Querschnittsprofil wie die erste magnetische Flussabschirmung 302a und der erste Abstandshalter 304a haben oder ein anderes Querschnittsprofil aufweisen.
Wie in der zehnten magnetisch getriebenen Vorrichtung 1000 von 10 gezeigt, kann ein erster nichtmagnetischer, elektrisch isolierender Polschuhabstandshalter 1002a (im Unterschied zum ersten Abstandshalter 304a) zwischen dem ersten Trägerelement 126a und den Polschuhen 112 vorgesehen sein. Obwohl in 10 nicht dargestellt, kann ein zweiter nichtmagnetischer, elektrisch isolierender Polschuhabstandshalter 1002b zwischen dem zweiten Trägerelement 126b und den Polschuhen 112 vorgesehen sein. Dies trägt dazu bei, den Flusspfad von den Polschuhen zum ersten Trägerelement zu unterbrechen, wodurch der Flussabschirmeffekt verstärkt wird.
Wie in der elften magnetisch getriebenen Vorrichtung 1100 von 11 gezeigt, kann die Mehrzahl der ersten Permanentmagnete 110 an einem ersten axialen Ende abgeschrägt sein, so dass eine radial äußere Kante jedes der ersten Permanentmagnete kürzer ist als eine radial innere Kante jedes der ersten Permanentmagnete. Dies erhöht vorteilhaft die Reluktanz des Pfades, der den Polstücken 112 am nächsten ist. Der Abstandshalter 304a ist keilförmig und in ähnlicher Weise abgeschrägt, um die Abschrägung der ersten Permanentmagnete 110 zu berücksichtigen und ihr zu entsprechen. Insbesondere ist eine radial innere Kante des Abstandshalters 304a kürzer als eine radial äußere Kante des Abstandshalters 304a. Obwohl in 11 nicht dargestellt, kann der zweite Abstandshalter 304b auch keilförmig sein, wobei eine radial äußere Kante des zweiten Abstandshalters 304b eine größere axiale Länge aufweist als eine radial innere Kante.
12 zeigt ein zwölftes Beispiel einer magnetisch getriebenen Vorrichtung 1200 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Polschuhe 112 des zwölften Beispiels sind abgeschrägt 1202, so dass die radial innere Kante der Vielzahl von Polschuhen 112 eine größere axiale Länge hat als eine radial äußere Kante davon. Darüber hinaus ist die Länge der radial äußeren Kante ähnlich oder gleich der Länge der radial äußeren Kante der Vielzahl von Permanentmagneten 110. Dies erhöht vorteilhaft die Reluktanz des Pfades, der den ersten Permanentmagneten 110 am nächsten ist. Das erste Trägerelement 126a kann in ähnlicher Weise verjüngt sein, um der Verjüngung der Polstücke 112 zu entsprechen. Obwohl in 12 nicht dargestellt, kann das andere axiale Ende der Polstücke 112 in ähnlicher Weise abgeschrägt sein.
13 zeigt einen Rotor 104 gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Verwendung als erster Rotor 104 in der ersten magnetisch getriebenen Vorrichtung 100 oder als erster Rotor 104 in der zweiten magnetisch getriebenen Vorrichtung 200. Der Rotor 104 umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten ersten Permanentmagneten 110, die an einer ersten Permanentmagnetträgerstruktur 1300 befestigt sind. Jeder der ersten Dauermagnete 110 ist in axialer Richtung geschichtet und in Umfangsrichtung segmentiert. Im dargestellten Beispiel umfasst jeder der ersten Dauermagnete 110 sechs axial geschichtete Umfangssegmente 110a-110f, wobei jedes Segment eine axiale Reihe von axial geschichteten Dauermagneten 110 darstellt. Durch diese Anordnung der Dauermagnete werden die Verluste durch Wirbelströme minimiert. Die ersten Dauermagnete 110 sind in Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
Der Rotor 104 von 13 nutzt die zuvor beschriebenen Konzepte der Flussabschirmung und des elektrisch isolierenden Bereichs. Eine erste ringförmige Flussabschirmung 302a ist mit einem ersten axialen Ende des ersten Rotors 104 verschraubt oder auf andere Weise befestigt; und eine zweite ringförmige Flussabschirmung 302b ist mit einem zweiten axialen Ende des ersten Rotors 104 verschraubt oder auf andere Weise befestigt. Wenn die Bolzen aus Stahl sind, können sie von den Flussschilden 302a, 302b durch ein isolierendes Material, z. B. durch eine isolierende Beschichtung oder einen Abstandshalter, elektrisch isoliert sein. Die Stahlbolzen sind nicht magnetisiert. Jede der Flussabschirmungen 302a, 302b umfasst einen ringförmigen Ring, der beispielsweise den gleichen Durchmesser wie der erste Rotor 104 hat und axial mit der Vielzahl der in Umfangsrichtung angeordneten ersten Permanentmagneten 110 ausgerichtet ist. Jede Flussabschirmung 302a, 302b hat einen Außendurchmesser, der im Allgemeinen mit einem Außendurchmesser der mehreren ersten Permanentmagneten 110 übereinstimmt oder diesen übersteigt, und einen Innendurchmesser, der im Allgemeinen mit einem Innendurchmesser der mehreren ersten Permanentmagneten 110 übereinstimmt. In einigen Beispielen kann sich die Flussabschirmung radial außerhalb des Außendurchmessers der mehreren ersten Dauermagneten erstrecken und/oder radial innerhalb des Innendurchmessers der mehreren ersten Dauermagneten hervorstehen.
Jede der Flussabschirmungen 302a, 302b ist in Umfangsrichtung segmentiert. Im gezeigten Beispiel ist die Anzahl der ersten Permanentmagneten 110 gleich der Anzahl der Flussschildsegmente 1302, wobei jedes Flussschildsegment 1302 axial mit einem entsprechenden axialen Ende eines der ersten Permanentmagneten 110 ausgerichtet ist. Die Flussabschirmungssegmente 1302 sind durch Bolzen 1304 am ersten Rotor 104 befestigt. Zur Vereinfachung der Konstruktion sind die Flussschildsegmente durch einen (kleinen) Luftspalt voneinander getrennt. Wenn die Flussabschirmung einen elektrischen Leiter umfasst, kann der Luftspalt außerdem dazu beitragen, Wirbelströme in der Flussabschirmung zu reduzieren.
Zwischen den ersten Dauermagneten 110 und der ersten Flussabschirmung 302a befindet sich ein elektrisch isolierender Bereich, in diesem Fall der erste Abstandshalter 304a. Zwischen den ersten Dauermagneten 110 und der zweiten Flussabschirmung 302b befindet sich ein weiterer elektrisch isolierender Bereich, in diesem Fall der zweite Abstandshalter 304b. Ähnlich wie die Flussabschirmungen 302a, 302b sind auch der erste und der zweite Abstandshalter 304a, 304b in Umfangsrichtung unterteilt. Das heißt, dass sich zwischen jedem Flussschildsegment 1302 und seinem jeweiligen ersten Permanentmagneten 110 ein entsprechendes Abstandssegment 1306 befindet. Mit anderen Worten, jedes Abstandssegment 1306 in Umfangsrichtung ist zwischen einem jeweiligen Paar aus erstem Permanentmagneten 110 und Flussabschirmsegment 1302 angeordnet. Die Abstandssegmente 1306 sind auch durch die Bolzen 1304 am ersten Rotor befestigt.
14 veranschaulicht, wie die Flussabschirmung 302 axiale Flusslinien abfängt, die sich von einem axialen Ende der mehreren ersten Permanentmagneten 110 erstrecken, und diese Flusslinien zurück zu den ersten Permanentmagneten 110 und den Polschuhen 112 umleitet, wodurch die Menge des axialen Flusses, der das Trägerelement 126 erreicht, erheblich reduziert wird. Tatsächlich bietet die Flussabschirmung 302 einen magnetischen Pfad für das axiale magnetische Streufeld, um zum Permanentmagnetrotor zurückzukehren, wodurch die Größe des sich in der umgebenden Struktur ausbreitenden Feldes reduziert wird. Dies wiederum reduziert Wirbelströme in der umgebenden Struktur.
15a zeigt die magnetische Flussdichte in einem Trägerelement 126 innerhalb einer magnetisch getriebenen Vorrichtung gemäß 1 oder 2. 15b zeigt die magnetische Flussdichte in einem Trägerelement 126 innerhalb einer magnetisch getriebenen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung, wenn eine Flussabschirmung 302 vorhanden ist. Wie zu erkennen ist, wird die magnetische Flussdichte in dem Trägerelement 126 bei Verwendung der Flussabschirmung 302 erheblich reduziert. Dadurch werden auch die Wirbelströme reduziert.
Wie bereits erwähnt, kann die Flussabschirmung Schlitze, Löcher und/oder Taschen aufweisen, um Verluste innerhalb der magnetisch betriebenen Vorrichtung zu vermeiden. Dies kann besonders wichtig sein, wenn die Flussabschirmung einen Leiter, wie z. B. Kupfer, umfasst. In solchen Beispielen können Wirbelströme in der Flussabschirmung unterstützt werden, was zu ohmschen Verlusten führen kann. Durch den Einbau von Schlitzen, Löchern und/oder Taschen müssen solche Ströme einen gewundenen Weg durch die Flussabschirmung nehmen. Da die Länge des Weges, den die Wirbelströme zurücklegen müssen, vergrößert wird, werden die ohmschen Verluste verringert.
1 6a zeigt ein Polschuhsegment 1600, das keine Schlitze, Löcher oder Taschen aufweist. Ein ovaler Wirbelstrompfad 1602 wird als Reaktion auf den axialen Fluss F gebildet.
16b zeigt ein Polschuhsegment 1604 mit darin ausgebildeten Taschen 1606. Die Taschen erstrecken sich nicht über den gesamten Weg durch das Flussschildsegment 1604. Wie dargestellt, ist um die Taschen 1606 ein Wirbelstrompfad 1608 gebildet.
16c zeigt ein Polschuhsegment 1610 mit darin ausgebildeten Schlitzen 1612a, 161 2b. Die Schlitze 161 2a erstrecken sich radial in das Polschuhsegment 1610. Die Schlitze 1612b erstrecken sich in Umfangsrichtung in das Polschuhsegment 1610. Um die Schlitze 1612a, 1612b herum wird eine Wirbelstrombahn 1614 gebildet.
16d zeigt ein Polschuhsegment 1620 mit durchgehenden Löchern 1622. Die Löcher 1622 erstrecken sich in axialer Richtung durch das Segment 1620. Die Wirbelstrompfade 1624, 1626 sind um die Schlitzlöcher 1622 herum ausgebildet.
In den obigen Beispielen wurde eine radiale Anordnung der magnetischen Vorrichtung in den Mittelpunkt gestellt. Wie der Leser jedoch erkennen wird, könnte alternativ auch eine axiale Anordnung verwendet werden. 17 zeigt eine erste axiale Anordnung; 18 zeigt eine zweite axiale Anordnung; 19 zeigt eine dritte axiale Anordnung. 20 zeigt eine radiale Anordnung, bei der die Vorrichtung jedoch für eine lineare axiale Bewegung und nicht für eine Rotationsbewegung konfiguriert ist.
In 17 sind der Stator 102, der erste Rotor 104 und der zweite Rotor 106 jeweils um die drehbare Abtriebswelle 118 angeordnet. Anstatt jedoch wie in früheren Beispielen konzentrisch zueinander angeordnet zu sein, befindet sich der Stator 102 in Richtung eines ersten axialen Endes der Vorrichtung, der erste Rotor 104 in Richtung eines zweiten axialen Endes der Vorrichtung und der zweite Rotor 106 axial zwischen dem Stator 102 und dem ersten Rotor 104. Somit sind der erste Rotor 104, der zweite Rotor 106 und der Stator 102 axial voneinander getrennt. Bei dieser Anordnung ist ein axialer Fluss erwünscht, während ein radialer Fluss nicht erwünscht ist. Dementsprechend ist die Flussabschirmung 302 radial mit der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 ausgerichtet, so dass sie sich zwischen der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 und dem Gehäuse 122 befindet. Die Flussabschirmung 302 ist durch den Abstandshalter 304 radial von der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 beabstandet. Wie der Leser jedoch erkennen wird, könnte die Flussabschirmung 302 alternativ durch einen Luftspalt von der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 beabstandet sein.
In 17 sind auch die radiale Richtung R und die axiale Richtung A eingezeichnet. Die radiale Richtung R steht senkrecht zur axialen Richtung A. Wie zu erkennen ist, sind der Stator 102, der erste Rotor 104 und der zweite Rotor 106 in der axialen Richtung A voneinander beabstandet. Mit anderen Worten, der Stator 102, der erste Rotor 104 und der zweite Rotor 106 sind in der axialen Richtung A zueinander ausgerichtet. Die Flussabschirmung 302 hingegen ist in der radialen Richtung zu den ersten Permanentmagneten 110 ausgerichtet und in der radialen Richtung von den ersten Permanentmagneten 110 beabstandet. Dementsprechend dämpft die Flussabschirmung 302 den in radialer Richtung streuenden Fluss und fördert die Ausbreitung des Flusses in axialer Richtung, d. h. axial zu den Polschuhen 112 und dem Stator 102.
Die zweite axiale Anordnung in 18 ist eine Modifikation der axialen Anordnung in 17. Die Vorrichtung umfasst einen Stator 102, der einen ersten Statorabschnitt 102a an einem ersten axialen Ende und einen zweiten Statorabschnitt 102b an einem zweiten axialen Ende umfasst. Der erste Rotor 104 befindet sich in der axialen Mitte der Vorrichtung. Ein zweiter Rotor 106 ist so angeordnet, dass eine erste Mehrzahl von Polschuhen 112a axial zwischen dem ersten Statorabschnitt 102a und dem ersten Rotor 104 angeordnet ist; und so, dass eine zweite Mehrzahl von Polschuhen 112b axial zwischen dem zweiten Statorabschnitt 102b und dem ersten Rotor 104 angeordnet ist. Das Polstückträgerelement 126 verbindet mechanisch die erste Vielzahl von Polstücken 112a mit der zweiten Vielzahl von Polstücken 112b. Auch hier ist ein axialer Fluss erwünscht, während ein radialer Fluss nicht erwünscht ist. Dementsprechend ist die Flussabschirmung 302 radial mit der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 ausgerichtet, so dass sie sich zwischen der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 und dem Polstückträgerelement 126 befindet. Die Flussabschirmung 302 ist durch den Abstandshalter 304 radial von der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 beabstandet. Wie der Leser jedoch erkennen wird, könnte die Flussabschirmung 302 alternativ durch einen Luftspalt von der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 beabstandet sein.
Wie der Leser verstehen wird, können der zweite Statorabschnitt 102b und die zweite Vielzahl von Polschuhen 112b entfallen und sind als solche nicht unbedingt erforderlich.
Die dritte axiale Anordnung in 19 ist eine alternative Modifikation der axialen Anordnung in 17. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Permanentmagnetrotor 104a an einem ersten axialen Ende und einen zweiten Permanentmagnetrotor 104b an einem zweiten axialen Ende. Der Stator 102 befindet sich in der axialen Mitte der Vorrichtung. Ein erster Polschuhrotor 106a ist so angeordnet, dass eine erste Mehrzahl von Polschuhen 112a axial zwischen dem ersten Permanentmagnetrotor 104a und dem Stator 102 angeordnet ist; und ein zweiter Polschuhrotor 106b ist so angeordnet, dass eine zweite Mehrzahl von Polschuhen 112b axial zwischen dem zweiten Permanentmagnetrotor 104b und dem Stator 102 angeordnet ist. Auch hier ist ein axialer Fluss erwünscht, während ein radialer Fluss nicht erwünscht ist. Dementsprechend ist eine erste Flussabschirmung 302a radial mit den Permanentmagneten 110 des ersten Rotors 104a ausgerichtet, und eine zweite Flussabschirmung 302b ist radial mit den Permanentmagneten 110 des zweiten Rotors 104b ausgerichtet. Jede Flussabschirmung 302a, 302b ist von der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 durch einen entsprechenden Abstandshalter 304a, 304b radial beabstandet. Wie der Leser jedoch erkennen wird, könnte jede Flussabschirmung 302a, 302b alternativ durch einen entsprechenden Luftspalt von der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 beabstandet sein.
20 zeigt die lineare Anordnung. In 20 sind der Stator 102, der erste Translator 104 und der zweite Translator 106 konzentrisch um die verschiebbare Abtriebswelle 118 angeordnet, so dass sich der Stator 102 radial außerhalb des ersten Translators 104 befindet und der zweite Translator 106 radial zwischen dem Stator 102 und dem ersten Translator 104 angeordnet ist. Wie dargestellt, ist der zweite Translator 106 mit der Abtriebswelle 118 gekoppelt. Sowohl die Abtriebswelle 118 als auch der erste Translator 104 und der zweite Translator 106 sind so konfiguriert, dass sie sich relativ zum Stator 102 axial verschieben. Die Wicklungen 108 sind toroidal um den Stator 102 gewickelt. Wie bei den vorangegangenen Beispielen umfasst der erste Translator 104 eine erste Mehrzahl von Permanentmagneten 110; der Stator 102 umfasst eine zweite Mehrzahl von Permanentmagneten 120 und eine Mehrzahl von Wicklungen 108; und der zweite Translator 106 umfasst eine Mehrzahl von Polstücken 112 und Trägerelementen 126a, 126b. In diesem Beispiel ist ein radialer Fluss erwünscht und ein axialer Fluss nicht erwünscht. Dementsprechend ist eine erste Flussabschirmung 302a axial mit der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 ausgerichtet, so dass sie sich zwischen der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 und dem ersten Trägerelement 126a befindet; und eine zweite Flussabschirmung 302b ist axial mit der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 ausgerichtet, so dass sie sich zwischen der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 und dem zweiten Trägerelement 126b befindet. Jede Flussabschirmung 302a, 302b ist von der ersten Vielzahl von Permanentmagneten 110 durch einen entsprechenden Abstandshalter 304a, 304b beabstandet. Wie der Leser jedoch erkennen wird, könnte jede Flussabschirmung 302a, 302b alternativ durch einen entsprechenden Luftspalt von der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten 110 beabstandet sein.
21 zeigt einen magnetischen Antrieb 2100 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der magnetische Antrieb 2100 ist in den meisten Aspekten dasselbe wie der magnetische Antrieb 300 aus 3a, mit Ausnahme eines wesentlichen Unterschieds. Während die magnetische Antriebsvorrichtung 300 nur Wicklungen 108 auf dem Stator 102 umfasst, umfasst der magnetische Antrieb 2100 nur zweite Permanentmagnete 120 auf dem Stator 102. Das Vorhandensein der zweiten Dauermagneten 120 (anstelle von Wicklungen) auf dem Stator 102 in 21 kann dazu führen, dass die Vorrichtung 2100 als magnetischer Antrieb und nicht als Leistungsverzweigungsvorrichtung verwendet werden kann.
In ähnlicher Weise zeigt 22 einen magnetischen Antrieb 2200, der in jeder Hinsicht mit dem magnetischen Antrieb 300' aus 3b identisch ist, mit Ausnahme eines wesentlichen Unterschieds. Insbesondere umfasst der magnetische Antrieb 300' nur Wicklungen 108 auf dem Stator 102, während der magnetische Antrieb 2200 nur zweite Permanentmagnete 120 auf dem Stator 102 umfasst. Es ist das Vorhandensein der zweiten Permanentmagnete 120 (anstelle von Wicklungen) auf dem Stator 102 in 22, das die Vorrichtung 2200 für die Verwendung als magnetischen Antrieb und nicht als leistungsverzweigte Vorrichtung geeignet macht.
23 zeigt einen weiteren magnetischen Antrieb 2300 gemäß der vorliegenden Offenbarung. In dem magnetischen Antrieb 2300 sind die Polschuhe 112 auf einem Stator 2302 montiert (der wiederum mit dem Gehäuse 122 gekoppelt ist), und die mehreren zweiten Permanentmagnete 120 sind auf einem zweiten Rotor 2304 montiert. Der Stator 2302, der die Polstücke 106 trägt, befindet sich zwischen dem ersten Rotor 104 und dem zweiten Rotor 2304. Der zweite Rotor 2304 ist an einem ersten axialen Ende offen und umfasst an einem zweiten axialen Ende ein Stahlstützteil 2306 (d. h. er hat eine offene Schalenstruktur). Der erste Rotor 104 hat ebenfalls eine offene Schalenstruktur und ist an seinem zweiten axialen Ende offen. Der erste Rotor 104 ist mit einer Eingangswelle 118a gekoppelt, so dass er von der Eingangswelle 118a angetrieben wird. Der zweite Rotor 2304 ist mit einer Ausgangswelle 118b gekoppelt, um die Ausgangswelle 118b anzutreiben. Die Eingangswelle 118a erstreckt sich von einem ersten axialen Ende des magnetischen Antriebs 2300. Die erste Flussabschirmung 302a am ersten axialen Ende der ersten Permanentmagneten 110 verhindert, dass axialer Streufluss das Gehäuse 122 erreicht. Die zweite Flussabschirmung 302b verhindert, dass axialer Streufluss das Stahlträgerelement 2306 erreicht.
24 schließlich zeigt eine Variante 2400 des in 23 gezeigten magnetischen Antriebs 2300. Anstatt dass sich die Eingangswelle 118a vom ersten axialen Ende und die Ausgangswelle 118b vom zweiten axialen Ende aus erstreckt, wie in 23, erstrecken sich beim Magnetgetriebe 2400 von 24 sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangswelle 118a, 118b vom ersten axialen Ende des Magnetantriebs 2400 aus. Außerdem ist die Eingangswelle 118a, die mechanisch mit dem ersten Rotor 104 gekoppelt ist, konzentrisch zur hohlen Ausgangswelle 118b angeordnet. Die hohle Abtriebswelle 118b ist mechanisch mit dem Stahlträger 2306 verbunden.
Der Begriff „umfassend“ ist im Sinne von „einschließlich, aber nicht beschränkt auf“ zu verstehen, so dass er das Vorhandensein von nicht aufgeführten Merkmalen nicht ausschließt. Die in den beigefügten Zeichnungen beschriebenen und gezeigten Beispiele dienen als Beispiele für mögliche Ausführungsformen der Erfindung und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken. Es können Änderungen vorgenommen und Elemente durch funktionell und strukturell gleichwertige Teile ersetzt werden, und Merkmale verschiedener Ausführungsformen können kombiniert werden, ohne dass dies von der Offenbarung abweicht. Insbesondere können die in den obigen Beispielen beschriebenen Merkmale miteinander kombiniert werden, soweit eine solche Kombination technisch möglich ist. Beispielsweise können in jedem der oben beschriebenen Beispiele Flussmittelabschirmungen verwendet werden, die wie in 8a, 8b oder 9 dargestellt geformt sind, oder sie können eine Außenkante des Abstandshalters umgeben, wie in 9 dargestellt. In jedem der obigen Beispiele kann ein Abstandshalter 1002a, wie in 10 dargestellt, enthalten sein. In jedem der obigen Beispiele können die axialen Enden der mehreren ersten Permanentmagnete 110 abgeschrägt sein, wie in 11 gezeigt, und/oder die axialen Enden der Polstücke 112 können abgeschrägt sein, wie in 12 gezeigt.

Claims

Eine magnetisch getriebene Vorrichtung, umfassend: einen ersten Läufer mit einer Vielzahl von ersten Permanentmagneten; einen Stator; einen zweiten Läufer; und eine Flussabschirmung, die mit der ersten Vielzahl von Permanentmagneten ausgerichtet ist, um den Magnetfluss zu dämpfen, wobei einerseits der Stator oder der zweite Läufer eine Vielzahl von Polstücken aufweist und zwischen dem ersten Läufer und andererseits dem Stator oder dem zweiten Läufer angeordnet ist; und wobei der erste Läufer, der Stator und der zweite Läufer in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, und wobei die Flussabschirmung von der Vielzahl der ersten Permanentmagnete in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung durch einen nichtmagnetischen Bereich beabstandet ist, wodurch der Magnetfluss in der zweiten Richtung gedämpft wird.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Läufer, der Stator und der zweite Läufer um eine Welle herum angeordnet und axial zueinander ausgerichtet sind, und bei der entweder der erste Läufer oder der zweite Läufer mechanisch mit der Welle gekoppelt ist.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der erste Antrieb, der Stator und der zweite Antrieb in einem Metallgehäuse untergebracht sind; und bei der die Flussabschirmung zwischen der Vielzahl der ersten Permanentmagneten und dem Metallgehäuse angeordnet ist.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Antrieb, der Stator und der zweite Antrieb konzentrisch um eine Welle angeordnet sind.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der zweite Läufer eine elektrisch leitende Polschuh-Trägerstruktur umfasst, die mechanisch mit der drehbaren Welle gekoppelt ist, und die Flussabschirmung zwischen der Mehrzahl der ersten Permanentmagneten und der Polschuh-Trägerstruktur angeordnet ist.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die mehreren Polstücke über einen elektrisch isolierenden Polstück-Abstandshalter mit der Polstück-Tragstruktur gekoppelt sind, so dass die mehreren Polstücke durch den Polstück-Abstandshalter axial von der Polstück-Tragstruktur beabstandet sind.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, bei der die erste Antriebseinheit, der Stator und die zweite Antriebseinheit in einem Metallgehäuse untergebracht sind und bei der die Flussabschirmung zwischen der Vielzahl der ersten Permanentmagneten und dem Gehäuse angeordnet ist.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Läufer eine Permanentmagnetträgerstruktur umfasst und wobei die Flussabschirmung mechanisch mit der Permanentmagnetträgerstruktur gekoppelt ist.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die Flussabschirmung mechanisch mit der Polstückträgerstruktur gekoppelt ist.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der nichtmagnetische Bereich ein nichtmagnetischer, elektrisch isolierender Abstandshalter ist.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der nichtmagnetische Bereich einen Luftspalt umfasst.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flussabschirmung einen Leiter umfasst.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flussabschirmung ein nicht magnetisiertes, magnetisierbares Material umfasst.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Flussabschirmung entweder ein Laminat oder einen weichmagnetischen Verbundstoff „SMC“ umfasst.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flussabschirmung einen Ring umfasst.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Flussabschirmung eine Vielzahl von Umfangssegmenten umfasst, die so angeordnet sind, dass sie den Ring bilden, wobei die Umfangssegmente in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der andere Teil des Stators und des zweiten Antriebs eine Vielzahl von zweiten Permanentmagneten umfasst.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Stator eine Vielzahl von Wicklungen aufweist und der zweite Läufer zwischen dem Stator und dem ersten Läufer angeordnet ist und die Vielzahl von Polstücken aufweist.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Stator außerdem eine Vielzahl von zweiten Permanentmagneten umfasst.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die mehreren zweiten Permanentmagnete zwischen den mehreren Wicklungen und dem zweiten Läufer angeordnet sind.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flussabschirmung eine erste Flussabschirmung umfasst, die axial von einem ersten axialen Ende der mehreren ersten Permanentmagneten beabstandet ist, und eine zweite Flussabschirmung, die axial von einem zweiten axialen Ende der mehreren zweiten Permanentmagneten beabstandet ist.
Magnetisch getriebene Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren ersten Dauermagnete in Umfangsrichtung so angeordnet sind, dass jeder der ersten Dauermagnete eine vordefinierte Bogenlänge einnimmt, und wobei die Flussabschirmung axial von den ersten Dauermagneten um einen Abstand beabstandet ist, der zwischen einem Zehntel und einer Hälfte der Bogenlänge liegt.
Eine magnetisch getriebene Vorrichtung, die Folgendes umfasst: einen ersten Rotor mit einer Vielzahl von ersten Permanentmagneten; einen Stator; und einen zweiten Rotor, der zwischen dem ersten Rotor und dem Stator angeordnet ist, wobei der zweite Rotor eine Polstückträgerstruktur umfasst, wobei die Polstückträgerstruktur Wandbereiche und einen Polstückbereich umfasst, und eine Vielzahl von Polstücken, die mit dem Polstückbereich verbunden sind; wobei der erste Rotor, der Stator und der zweite Rotor konzentrisch um eine Welle herum angeordnet sind, und wobei mindestens ein Wandbereich der Stückträgerstruktur axial von der Mehrzahl der ersten Permanentmagneten beabstandet ist, um den axialen Streufluss in den mindestens einen Wandbereich von der Mehrzahl der ersten Permanentmagneten zu minimieren.
Ein Rotor für eine magnetisch getriebene Vorrichtung mit konzentrisch angeordneten, magnetisch wechselwirkenden Komponenten, wobei der Rotor folgendes umfasst: eine Stützstruktur; eine Vielzahl von Permanentmagneten, die mit der Trägerstruktur verbunden sind; und eine Flussabschirmung, die mit der Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die Flussabschirmung axial mit der Mehrzahl von Permanentmagneten ausgerichtet ist und ferner axial von der Mehrzahl von Permanentmagneten durch einen nichtmagnetischen Bereich beabstandet ist.
Rotor für eine magnetisch getriebene Vorrichtung, die axial ausgerichtete, magnetisch wechselwirkende Komponenten umfasst, wobei der Rotor umfasst: eine Stützstruktur; eine Vielzahl von Permanentmagneten, die mit der Trägerstruktur verbunden sind; und eine Flussabschirmung, die mit der Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die Flussabschirmung radial mit der Mehrzahl von Permanentmagneten ausgerichtet ist und ferner radial von der Mehrzahl von Permanentmagneten durch einen nichtmagnetischen Bereich beabstandet ist.