STATOR FÜR EIN MAGNETISCHES GETRIEBE SOWIE DESSEN HERSTELLUNGSVERFAHREN

Fachgebiet der Erfindung

Seit einiger Zeit sind sogenannte magnetische Getriebe be- kannt, beispielsweise aus der Druckschrift EP 0849869. Diese bestehen aus mindestens zwei Läufern (auch Rotor, An- und Abtriebsseite) und einem Stator oder Ständer. Die Läufer tragen Permanentmagnete unterschiedlicher Polzahl. Die Polzahl für jeden Läufer ergibt sich dabei aus einer Auslegungsregel. Der angetriebene Läufer erzeugt im Luftspalt (zwischen erstem

Läufer und Ständer) ein magnetisches Drehfeld, das in Abhängigkeit von der Polzahl synchron mit dem Läufer dreht.

Der Ständer besteht zum Teil aus weichmagnetischen Werkstoffen. Es handelt sich meist um geblechtes Eisen, weichmagneti- sehe Verbundmaterialien (Soft Magnetic Composites) oder

Weichferrit .

Aufgabe des Ständers ist die Modulation des magnetischen Wechselfeld von der Antriebsseite in geeigneter Weise, so dass das Feld auf der Abtriebsseite, d. h. im zweiten Luftspalt zwischen Ständer und abtriebsseitigem Läufer, mit einer anderen Frequenz rotiert. Somit kann eine Veränderung der Drehzahl (insb. Untersetzung) erreicht werden, wenn das Feld des zweiten Läufers magnetisch mit diesem Feld koppelt. Der Ständer ist ein scheibenförmiges Gebilde (bei einem Axialflussgetriebe) , dass (kreis) segmentförmige Eisenteile zur Magnetfeldmodulation auf nimmt. Oft ist der Ständer an den Rändern auf beiden Seiten verdickt, so dass auf jeder Seite eine zylinderförmige Schüssel entsteht. In diese Vertiefung können die scheibenförmigen Läufer bei der Montage eingeführt werden. Montiert wird das Getriebe, indem die beiden scheibenförmigen Lagerschilde von links und rechts an den Ständer mittels Schrauben angeflanscht werden. In der Mitte weist der Ständer ein Loch auf, so dass der Ständer nicht eine Scheibe sondern einen Diskus darstellt Stand der Technik

Das Problem bei Statoren / Ständern von magnetischen Getrieben mit Anordnung in Axialflussrichtung liegt in der Haltbarkeit. In der Regel werden die Eisensegmente, die die Modula- tion bewirken, in ein Bett aus Epoxydharz gelegt. Durch Wirbelströme erwärmen sich die Eisensegmente im Betrieb. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Eisen deutlich anders als der von Harz ist, kommt es zu mechanischen Spannungen im Bauteil, die zu einer Zerstörung des Bauteils führen können. Das Prob- lern der durch Erwärmung verursachten Ausdehnung kann nicht gelöst werden. Alleine die Spannungsrisse könnten durch eine aufwendige Anpassung der Rezeptur des Harzes oder durch eine zusätzliche weiche Schicht zwischen Eisen und Harz eventuell minimiert werden.

Zur Verstärkung des Ständers werden oftmals Stahlstäbe in das Harz eingebettet. Auch metallische Ringe außen und/oder innen verleihen Stabilität. Diese Maßnahmen sind aber auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit der Metallteile stark Verlust be- haftet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für einen Stator anzugeben, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein vorteil- haftes Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Vorrichtung anzugeben.

Darstellung der Erfindung Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Die Vorrichtung besteht aus einem Stator in einem magnetischen Getriebe zur Modulation eines magnetischen Wechselfeldes zwischen zwei Läufern, bestehend aus einem Trägermaterial und darin engebetteten weichmagnetischen Elementen wobei das Trägermaterial Beton ist.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst gemäß Patentanspruch 14 und 15 durch ein Herstellungsverfahren. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung werden während des Gießvorgangs des Betons in die Gießform die Metallteile durch unter der Gießform befestigte Magneten in Position gehalten. Alternativ werden die Metallteile gemäß einem zweiten Patentanspruch durch die einge- spannten Fasern und/oder eingebrachten Schläuche in Position gehalten .

Der Stator oder auch Ständer eines magnetischen Getriebes wird erfindungsgemäß kostengünstig aus Beton gefertigt. Beton und Eisen können hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten aufeinander abgestimmt werden. Dies macht man sich beispielsweise bei Stahlbeton zu Nutze. Die weiter oben als nachteilig beschriebenen Spannungsrisse treten so nicht auf. Der Stator oder Ständer für ein magnetisches Getriebe ist kostengünstig zu fertigen und vermeidet durch eine geeignete Materialwahl die bisherigen Probleme der Wärmeausdehnung, indem die Tragstruktur komplett aus elektrisch und magnetisch nichtleitendem Material besteht und die magnetflussführenden Elemente vom Wärmeausdehnungskoeffizient mit dem Tragmaterial abgestimmt sind.

Unter Kosten- und Umweltaspekten ist der Betonständer einem Stator/Ständer aus Harz zumindest ebenbürtig. Der erfindungs- gemäße Stator / Ständer lässt sich besser wiederaufarbeiten. Die Kosten für einen Ständer aus Beton sind deutlich gerin- ger, die Kosten für die magnetflussführenden Elemente bleiben gleich .

Beton bietet gegenüber dem bisher verwendeten Epoxydharz fol- gende Vorteile:

• Beton ist günstig in der Anschaffung.

• Beton ist leicht zu verarbeiten.

• Der Formenbau ist bekannt.

• Beton ist sehr druckfest

· Beton ist alterungsbeständig

• Beton ist sehr wärmefest

• Mittels Trennmitteln ist der fertige Stator / Ständer leicht aus der Gießform zu lösen

• Es sind keine aufwendigen Anlagen oder besonderes Wissen nötig.

• Beton ist kein Gefahrgut.

• Nach der Nutzung kann der Ständer problemlos entsorgt und recycelt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü- chen angegeben.

Die zusätzliche Verarbeitung von hochreißfesten Fasern (zur Verbesserung der Zugfestigkeit) , die auch, wie weiter unten beschrieben, zusätzliche Funktionen übernehmen können, stel- len eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dar.

Um die mechanische Festigkeit zu steigern, können dem Beton Zuschlagfasern (Faserbeton) aus nichtmagnetischem und elektrisch nichtleitendem Material zugemischt werden. Dies können z.B. Glasfasern, Mineralfasern oder Naturfasern (z.B. Baum- wolle) sein.

Als Zuschlagmaterial kommt beispielsweise weiterhin Quarzsand in Frage. Grobkörniges Material wie Kies ist nicht geeignet. Vorteilhafterweise können die Stahlstäbe beim "Betonständer" durch zugfeste Fasern ergänzt oder ersetzt werden. Zug-Fasern sind nur auf Zug belastbar, während der Beton auf Druck be- lastbar ist. Somit ergänzen sich die Zug-Fasern gut mit dem Beton. Es handelt sich bei den Zug-Fasern um andere Fasern als die Zuschlagfasern. Die Zug-Fasern können je nach Bedarf gespannt werden. Die Fasern ermöglichen auch eine feste Verbindung von innerem und äußerem Ring solange der Beton noch nicht abgebunden hat.

Die Zug-Fasern können z. B. aus Aramid, Mineralfaser oder Glasfaser sein. Weniger günstig sind elektrisch leitfähige Kohlenstofffasern . Zum Spannen der Fasern können im Innen- und Außenrad der Form Öffnungen eingebracht sein, durch die die Fasern gezogen werden. Außerhalb des Gießraums werden die Fasern festgeklemmt. Nach dem Abbinden des Betons kann die Klemmung gelöst werden und der Ständer kann ausgeformt werden. Zusätzliche Fasern können nicht nur radial, sondern auch z. B. ringförmig verspannt werden, befestigt an den radialen Fasern .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden anstatt den Zug-Fasern gewebte Schläuche verwendet. Diese Schläuche können weiterhin vorteilhafterweise die Eisenteile oder Temperatursensoren im Stator / Ständer aufnehmen und fixieren bis der Beton abgebunden hat.

Da die Magnete auf die Eisenzähne eine axiale Kraft ausüben, müssen gegen eine axialen Verschiebung der Eisenteile Vorkehrungen getroffen werden. Dies ist insbesondere auch bei der Montage des gesamten Getriebes wichtig, wenn kurzzeitig nur die Kraft von einem Läufer auf den Stator / Ständer wirkt. Denkbar ist die Verwendung von zwei Platten aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material, wie z. B. Kunststoff. Die Platten drücken von beiden Seiten auf den Stator/Ständer des Getriebes und verhindern so ein Verrutschen der Eisenzähne. Um den Wirkungsgrad zu steigern, sollten diese Platten nur sehr dünn sein. Noch besser ist es, wenn die Zähne fest im Beton verankert sind, so dass in axialer Richtung keine Vorkehrungen (wie die Platten) zu treffen sind. Eine Verankerung im Beton ist durch die Form der Eisenstücke realisierbar, wenn diese z. B. Nuten aufweisen, die vom dünnflüssigen Beton aufgefüllt werden. Oben wurde bereits die Möglichkeit erwähnt zur Fixierung die in den Beton einge- brauchten Schläuche zu nutzen.

Während des Giesvorgangs des Betons müssen die Eisenteile fest in der Form fixiert werden, um ein Verrutschen durch den flüssigen Beton zu vermeiden. In der Serienproduktion können die Eisenteile durch unterhalb der Gießform liegende Elektro- magnete in Position gehalten werden. Wenn der Beton genügend abgebunden hat, können die Magnete abgeschaltet werden. Evtl. kann die Fixierung der Eisenteile auch durch die Fasern, bzw. Fasernschläuche erfolgen.

Um die Festigkeit des Systems zu erhöhen, kann um den Ständer z.B. eine GFK-Bandage gewickelt werden.

Dies kann vor allem dazu genutzt werden, den äußeren Ring deutlich dünner zu dimensionieren. Er kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch ganz weggelassen werden. Besonders einfach wäre der Stator / Ständer als Scheibe zu gießen. Um Bauraum für die Läufer zu schaffen, werden die Lagerschilde dann zylinderförmig als Drehteile ausgestaltet. Die Läufer drehen dann in der Bohrung der Lagerschilde und der Ständer kann scheibenförmig sein.

Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungsformen Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen

Figur la und lb eine Gießform für den Stator / Ständer,

Figur 2 der Stator in der Draufsicht,

Figur 3 - 5 ein magnetisches Getriebe in Einzelteilen und

Figur 6 das magnetische Getriebe in zusammengebautem Zustand. Dargestellt ist in der Figur 1 a) die Gießform im Schnitt. Die Erhebung in der Mitte dient zur Ausformung des Lochs. Weiterhin ist die mögliche Füllhöhe der Form mit der gestrichelten Linie angedeutet.

In Figur 1 b) ist die selbe Gießform in der Draufsicht dargestellt. Beispielhaft sind vier radiale Zugfasern eingezeichnet, es ist jedoch eine beliebige andere Anzahl von Zugfasern denkbar . Um die Zahl der Klemmstellen zu reduzieren, wird im angegebenen Beispiel eine Faser im Wechsel innen und außen weitergeführt, so dass nur zwei statt acht Klemmstellen nötig sind. Figur 2 zeigt einen so gegossenen Stator in der Aufsicht. Die flussführenden Teile 3, 4 sind wie oben beschrieben in die erfindungsgemäße Betonmasse 1 eingebettet. Der äu- ßere Ring 2 ist in diesem Beispiel etwas dicker und beinhaltet weitere Bohrungen. Um den Ständer mit den Lagerschilden verschrauben zu können.

Die Figuren 3 bis 6 verdeutlichen die Funktionsweise des mag- netischen Getriebes. Die beiden äußeren Scheiben / Rotoren

62, 64 werden auf einer Welle 66, und Lager 67 gelagert. Der erfindungsgemäße Stator / Ständer 63 befindet sich zwischen den beiden Scheiben. Figur 6 zeigt das Getriebe in zusammengebauter Form, mit Kugellager 67.