WO2015018568A2 - Berührungslose magnetkupplung - Google Patents

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WO2015018568A2
WO2015018568A2 PCT/EP2014/064035 EP2014064035W WO2015018568A2 WO 2015018568 A2 WO2015018568 A2 WO 2015018568A2 EP 2014064035 W EP2014064035 W EP 2014064035W WO 2015018568 A2 WO2015018568 A2 WO 2015018568A2
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magnetic elements
outer shaft
magnetic
shaft
containment shell
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/10—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the permanent-magnet type
    • H02K49/104—Magnetic couplings consisting of only two coaxial rotary elements, i.e. the driving element and the driven element
    • H02K49/106—Magnetic couplings consisting of only two coaxial rotary elements, i.e. the driving element and the driven element with a radial air gap
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/16—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields
    • H02K5/173—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings

Definitions

  • the invention relates to a non-contact magnetic coupling, with a two-space spatially separating can, and an inner shaft mounted in the containment shell and an outer shaft mounted on the containment shell, which carry mutually attracting magnetic elements in opposite circumferential regions.
  • Such, also referred to as permanent magnetic synchronous coupling units transmit torque from the drive side (usually outer shaft or outer rotor) without contact by the magnetic forces on the output side (usually inner shaft or inner rotor), usually as the main function, the hermetic separation of input and output side without dynamically loaded Sealing elements is in the foreground.
  • the separation point so usually the junction of the fixed gap pot with a partition wall between the two areas, can be purely static sealed, e.g. with a flat gasket or an O-ring, which leaks at this point are virtually completely eliminated, without that for many applications annoying, excessive friction losses can occur through gaskets and the like.
  • WO201 1/137688 A1 are mounted on the containment shell, or a component firmly connected thereto, and thus centered relative to one another, which greatly improves the operation of the magnetic coupling due to lower possible radial tolerances.
  • Object of the present invention is to improve a magnetic coupling of the type mentioned so that the mutual alignment of inner shaft and outer shaft relative to the containment shell with further reduction of gaps and game can be further improved.
  • the axial offset is in the range of 5 to 15% of the axial length of the magnetic elements, which ensures an advantageous compromise between axial clamping and torque transmission.
  • the magnetic elements of the outer shaft are further away from a mounting region of the gap pot arranged as the magnetic elements of the inner shaft. The resulting axial force keeps the outer shaft on the split pot, which can be saved for such a fixation otherwise necessary components.
  • FIG. 1 section through a magnetic coupling according to the invention is shown at least in part only schematically.
  • the two areas I and II spatially separated from each other split pot 1 is here inserted into a container wall 2 shown only schematically and secured in a manner not shown and sealed (for example by means of a flat gasket, not shown, or inserted in the groove 3 O-ring or the like ).
  • the attachment takes place via a mounting portion 1 1 of the split pot 1, wherein the mounting portion 1 1 is executed in the example shown as a mounting plate, via the e.g. a screw can be done with the container wall 2.
  • the interior of the can 1 is in communication with the region I and hermetically sealed against the region II, without requiring a dynamic seal between rotating components.
  • the inner shaft 9 and the outer shaft 6 carry individual magnetic elements 10 which attract each other in circumferential areas opposite one another, for example eight of which can be provided around the circumference and extend in the longitudinal direction with alternating polarity.
  • “Alternating polarity” here means that eg on the inner shaft 9 Magnetic elements 10 are arranged with south-north orientation adjacent to a north-south-oriented magnetic element 10. At rest, the respective north and south poles of the magnetic elements 10 are opposite and the magnetic field is completely symmetrical One of the shafts deflects the magnetic field lines, with which torque can be transmitted through the air gap or the containment shell 1.
  • the containment shell 1 can be metallic, for example made of stainless steel or another suitable alloy, which allows improved stability of the bearing , but within the rotating magnetic field basically causes eddy current losses that are converted into heat. For this reason, splitters made of plastic, ceramic, glass or the like are known.
  • At least part of the magnetic elements 10 of inner shaft 9 and outer shaft 6 are offset in the axial direction against each other, said offset V is in the range of 5 to 15% of the axial length of the magnetic elements 10.
  • the resulting axial force which acts along the longitudinal center axis 12 of the can 1, allows axial clamping of the outer 6 and inner shaft 9 with respect to their storage on the can 1.
  • the magnetic elements 10 are offset on each of the shafts in each case in the direction of floating bearing relative to the opposite magnetic elements.
  • the magnetic elements 10 of inner 9 and outer shaft 6 are offset from a position in which they are positioned exactly opposite, such that the magnetic elements 10 of the inner shaft 9 are at least partially displaced in the direction of the floating bearing 8 of the inner shaft 9 or the magnetic elements 10 of the outer shaft 6 at least are partially shifted in the direction of the floating bearing 5 of the outer shaft 6.
  • This causes a slight tension of the inner and outer shaft in the fixed bearings on the split pot 1, which reduces the bearing clearance and improves the function.
  • the magnetic elements 10 of the inner shaft 9 are positioned closer to the attachment region 11 of the can 1 than the magnetic elements 10 of the outer shaft 6.
  • the magnetic elements 10 of the inner shaft 9 are thus closer to the attachment region 11 than the magnetic elements 10 of the outer shaft 6.
  • the outer shaft 6 is held on the containment shell 1 by the resulting axial force along the longitudinal central axis 12 of the containment shell 1, and no further components are required for this purpose.

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Abstract

Die Magnetelemente (10) von Innenwelle (9) und Außenwelle (6) einer berührungslosen Magnetkupplung sind zumindest zum Teil in axialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet, womit sich eine geringfügige Verspannung der beiden Wellen gegenüber dem zusätzlich zur Abdichtung auch zur Lagerung der beiden Wellen dienenden Spalttopf (1) ergibt.

Description

Berührungslose Magnetkupplung
Die Erfindung betrifft eine berührungslose Magnetkupplung, mit einem zwei Bereiche voneinander räumlich trennenden Spalttopf, sowie einer im Spalttopf gelagerten Innenwelle und einer auf dem Spalttopf gelagerten Außenwelle, welche in einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen einander anziehende Magnetelemente tragen.
Derartige, auch als dauermagnetische Synchronkupplung bezeichnete Einheiten übertragen Drehmoment von der Antriebseite (üblicherweise Außenwelle bzw. Außenrotor) berührungslos durch die Magnetkräfte auf die Abtriebseite (üblicherweise Innenwelle bzw. Innenrotor), wobei zumeist als Hauptfunktion die hermetische Trennung von An- und Abtriebseite ohne dynamisch belastete Dichtelemente im Vordergrund steht. Die Trennstelle, also zumeist die Verbindungsstelle des feststehenden Spalttopfes mit einer Trennwand zwischen den beiden Bereichen, kann rein statisch abgedichtet werden, z.B. mit einer Flachdichtung oder einem O-Ring, womit Undichtheiten an dieser Stelle praktisch vollständig auszuschließen sind, ohne dass für viele Anwendungen störende, übermäßige Reibungsverluste durch Dichtpackungen und dergleichen auftreten können.
Abgesehen von einfacheren Ausführungen derartiger Kupplungen, bei denen die Innenwelle und die Außenwelle an irgendwelchen antriebs- bzw. abtriebseitig vorgesehenen Aggregaten gelagert und ansonsten gegenüber dem trennenden Spalttopf freigestellt sind, sind auch höherwertige Ausführungen bekannt bei denen Innen- und/oder Außenwelle einseitig (siehe beispielsweise EP 1801 420 A2) oder auch zweiseitig (siehe beispielsweise
WO201 1/137688 A1 ) auf dem Spalttopf, bzw. einem damit fest verbundenen Bauteil, gelagert und damit gegeneinander zentriert sind, was die Funktionsweise der Magnetkupplung zufolge geringerer möglicher Radialtoleranzen sehr verbessert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Magnetkupplung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die gegenseitige Ausrichtung von Innenwelle und Außenwelle relativ zum Spalttopf unter weiterer Verringerung von Spaltmaßen und Spiel weiter verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil der Magnetelemente von Innenwelle und Außenwelle in axialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine axiale Kraft zwischen Innen- und Außenwelle ausgeübt, welche diese beiden Elemente gegenüber ihrer Lagerung am Spalttopf leicht axial verspannt und in Position hält, womit sich die Funktion der
l Magnetkupplung weiter verbessert und notwendige Spielmaße relativ zum Spalttopf verkleinert werden können. Zusätzlich wird dadurch das Lagespiel reduziert.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der axiale Versatz im Bereich von 5 - 15 % der axialen Länge der Magnetelemente beträgt, was einen vorteilhaften Kompromiss zwischen axialer Verspannung und Drehmomentübertragung sicherstellt.
Bei jeweils über ein Festlager und ein Loslager am Spalttopf gelagerter Innen- und Außenwelle ist in einer Variante der Erfindung vorgesehen, dass die Magnetelemente jeweils in Richtung Loslager versetzt sind. Dadurch erfolgt die axiale Verspannung in Richtung Festlager, womit jeweils die beiden Lagerringe der Festlager zueinander zentriert und somit das Lagerspiel minimiert wird.
Abgesehen von einer gegeneinander versetzten Anordnung aller Magnetelement-Paare um ein bestimmtes kleines Ausmaß könnte auch die Versetzung nur an einzelnen Magnetelement-Paaren um ein größeres Ausmaß vorgesehen werden - auch unterschiedlich große Versatzdimensionen an einzelnen Magnetelement-Paaren sind möglich bzw. aus konstruktiver Hinsicht manchmal vorteilhaft.
In einer Variante der Erfindung sind die Magnetelemente der Außenwelle weiter von einem Befestigungsbereich des Spalttopfes entfernt angeordnet als die Magnetelemente der Innenwelle. Die resultierende axiale Kraft hält die Außenwelle auf dem Spalttopf, wodurch für eine solche Fixierung ansonsten notwendige Bauteile eingespart werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Der in Fig. 1 ersichtliche Schnitt durch eine erfindungsgemäße Magnetkupplung ist zumindest zum Teil nur schematisch dargestellt. Der die beiden Bereiche I und II voneinander räumlich trennende Spalttopf 1 ist hier in eine nur schematisch dargestellte Behälterwand 2 eingesetzt und auf nicht weiter dargestellte Weise befestigt und abgedichtet (beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Flachdichtung oder einem in der Nut 3 eingelegten O-Ring oder dergleichen). Die Befestigung erfolgt dabei über einen Befestigungsbereich 1 1 des Spalttopfes 1 , wobei der Befestigungsbereich 1 1 im dargestellten Beispiel als Montageteller ausgeführt ist, über den z.B. eine Verschraubung mit der Behälterwand 2 erfolgen kann.
Damit ist der Innenraum des Spalttopfes 1 mit dem Bereich I in Verbindung und hermetisch gegenüber dem Bereich II abgedichtet, ohne dass es einer dynamischen Dichtung zwischen rotierenden Bauteilen bedürfte. Eine auf dem Spalttopf 1 an einem Festlager 4 und einem Loslager 5 gelagerte Außenwelle
6 fungiert beispielsweise als Antriebswelle, während eine im Spalttopf 1 an einem Festlager
7 und einem Loslager 8 gelagerte Innenwelle 9 beispielsweise als Abtriebswelle dient. Natürlich können die Wellen 6, 9 auch umgekehrt verwendet werden. Die Drehachsen von Außen- 6 und Innenwelle 9 fallen im Wesentlichen mit der Längsmittelachse 12 des Spalttopfes 1 zusammen.
Weitere Elemente sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weder antriebseitig noch abtrieb- seitig dargestellt. Innenwelle 9 und Außenwelle 6 tragen in einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen einander anziehende einzelne Magnetelemente 10, von denen beispielsweise jeweils acht über den Umfang verteilte und in Längsrichtung erstreckte Einzelelemente mit abwechselnder Polarität vorgesehen sein können.„Abwechselnde Polarität" bedeutet hier, dass z.B. auf der Innenwelle 9 benachbart zu einem Nord-Süd-orientierten Magnetelement 10 jeweils Magnetelemente 10 mit Süd-Nord-Orientierung angeordnet sind, bzw. umgekehrt. Im Ruhezustand stehen sich die jeweiligen Nord- und Südpole der Magnetelemente 10 gegenüber und das Magnetfeld ist vollkommen symmetrisch. Erst durch Verdrehung einer der Wellen werden die Magnetfeldlinien ausgelenkt, womit Drehmoment durch den Luftspalt bzw. den Spalttopf 1 hindurch übertragen werden kann. Der Spalttopf 1 kann metallisch, beispielsweise aus Edelstahl oder einer sonstigen geeigneten Legierung sein, was eine verbesserte Stabilität der Lagerung ermöglicht, aber innerhalb des rotierenden Magnetfeldes grundsätzlich Wirbelstromverluste, die in Wärme umgewandelt werden, verursacht. Aus diesem Grunde sind auch Spalttöpfe aus Kunststoff, Keramik, Glas oder dergleichen bekannt.
Zumindest ein Teil der Magnetelemente 10 von Innenwelle 9 und Außenwelle 6 sind in axialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet, wobei dieser Versatz V im Bereich von 5 bis 15 % der axialen Länge der Magnetelemente 10 liegt.
Die dadurch entstehende axiale Kraft, die entlang der Längsmittelachse 12 des Spalttopfes 1 wirkt, ermöglicht eine axiale Verspannung von Außen- 6 und Innenwelle 9 gegenüber ihrer Lagerung am Spalttopf 1.
Bei der dargestellten Ausführung mit jeweils einem Festlager und einem Loslager für die Lagerung von Innen- und Außenwelle (9 bzw. 6) sind die Magnetelemente 10 an jeder der Wellen jeweils in Richtung Loslager relativ zu den gegenüberliegenden Magnetelementen versetzt. Das bedeutet, dass die Magnetelemente 10 von Innen- 9 und Außenwelle 6 aus einer Position, in der sie genau gegenüberliegend positioniert sind, derart versetzt sind, dass die Magnetelemente 10 der Innenwelle 9 zumindest teilweise in Richtung des Loslagers 8 der Innenwelle 9 verschoben sind oder die Magnetelemente 10 der Außenwelle 6 zumindest teilweise in Richtung des Loslagers 5 der Außenwelle 6 verschoben sind. Dadurch tritt eine leichte Verspannung von Innen- und Außenwelle in den Festlagern am Spalttopf 1 ein, was das Lagerspiel verringert und die Funktion verbessert.
Die Magnetelemente 10 der Innenwelle 9 sind näher am Befestigungsbereich 1 1 des Spalttopfes 1 positioniert als die Magnetelemente 10 der Außenwelle 6. Die Magnetelemente 10 der Innenwelle 9 befinden sich also um den Versatz V näher am Befestigungsbereich 1 1 als die Magnetelemente 10 der Außenwelle 6. Durch diese Anordnung der Magnetelemente 10 wird durch die resultierende axiale Kraft entlang der Längsmittelachse 12 des Spalttopfes 1 die Außenwelle 6 auf dem Spalttopf 1 gehalten und es sind dafür keine weiteren Bauteile nötig.
Ein weiterer Vorteil im Handling (Montage und Demontage) besteht darin, dass die beiden Wellen von selbst in ihrer Position halten, trotz teilweisem Verzicht auf Sicherungen. Wären die Magnete genau gegenüber angeordnet, könnten die Wellen leicht hin und her rutschen (oder aber man sichert sie eben mit Sicherungsringen).

Claims

Patentansprüche
Berührungslose Magnetkupplung, mit einem zwei Bereiche (I, II) voneinander räumlich trennenden Spalttopf (1), sowie einer im Spalttopf (1) gelagerten Innenwelle (9) und einer auf dem Spalttopf (1) gelagerten Außenwelle (6), welche in einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen einander anziehende Magnetelemente (10) tragen, dadurch geken nzeichnet, dass zumindest ein Teil der Magnetelemente (10) von Innenwelle (9) und Außenwelle (6) in axialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Magnetkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Versatz (V) im Bereich von 5 - 15 % der axialen Länge der Magnetelemente (10) beträgt. Magnetkupplung nach Anspruch 1 oder 2 mit jeweils über ein Festlager (7, 4) und ein Loslager (8, 5) am Spalttopf (1) gelagerter Innen- und Außenwelle (9, 6), dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (10) jeweils in Richtung Loslager (8, 5) versetzt sind.
Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (10) der Außenwelle (6) weiter von einem Befestigungsbereich (11 ) des Spalttopfes (1 ) entfernt angeordnet sind als die Magnetelemente (10) der Innenwelle (9).
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