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Vorrichtung zur Übertragung von Drehmomenten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Drehmomenten mittels magnetischer Krifte, bei der mit der Antriebs- bzw. der Abtriebswelle kreisförmig angeordnete, durch einen Ring aus nicht magnetischem Material voneinander distanzierte Polstücke abwechselnder magnetischer Polarität starr verbunden sind, die einerseits über Luftspalte einer feststehenden, insbesondere mittels einer Wick- lung elektrisch magnetisierbaren Anordnung, anderseits gleichfalls über Luftspalte einem insbesondere scheibenförmigen, mit der Abtriebs- bzw. Antriebswelle starr verbundenen Läufer gegenüberliegen. Es wird hier der Hystereseeffekt magnetischer Materialien ausgenützt.
Als Drehmoment-Übertragungseinrichtungen sind bereits Kupplungen der verschiedensten Art verwendet worden, die den Wirbelstrom-oder den Hystereseeffekt benutzen.
Erfindungsgemäss wird nunmehr vorgeschlagen, dass der den drehbaren Polstücken gegenüberliegende ringförmig ausgebildete Teil des Läufers aus einem Material hoher magnetischer Hysterese besteht, wobei die Unterlage ein magnetisches Material mit niederer Reluktanz umfasst, und dass der genannte Teil mit hoher magnetischer Hysterese in radialer Richtung eine magnetische Vorzugsrichtung aufweist.
In das Material sind Pole induziert, die bestrebt sind, ihre magnetische Polarität zu erhalten. Wird ein Glied gedreht, so folgt das andere mit einer synchronen Drehbewegung.
Wenn die beiden Glieder gezwungen werden, sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu bewegen, dann gleitet die Kupplung und das Hdchstdrehmoment, das übertragen werden kann, ist proportional der Anzahl der Polpaare, dem Volumen des Materials hoher Hysterese und dem Bereich der Hystereseschleife, der das Material zu folgen gezwungen ist.
Es sei noch erwähnt, dass in einfacher Weise Vorrichtungen vorgesehen sein können, die das Gleiten (Schlupf) anzeigen.
Es kann dies ohne Schleifkontakte erreicht werden, indem ein Glied mit einem oder mehreren inhomogenen Abschnitten ausgebildet wird, die beim Gleiten eine Veränderung der Reluktanz'des sich zwischen den Gliedern erstreckenden Kraftlinienweges bewirken. Zur Anzeige und zum Messen eines elektrischen Signals auf Grund der Kraftlinienveränderung können dann entsprechende Einrichtungen vorgesehen werden.
Zum vollen Verständnis der Erfindung wird jetzt auf die Zeichnung Bezug genommen ; in dieser ist Fig. 1 ein vereinfachter axialer Schnitt durch eine elektromagnetische Kupplung ; Fig. 2 gibt in vereinfachter zusammengesetzter Ansicht Schnitte nach den Linien A-A, B-B und C-C der Fig. 1 wieder ; die Fig. SA, 3B und 3C zeigen drei Anordnungen zur Erreichung einer Messung oder einer Anzeige der Gleitgeschwindigkeit ; Fig. 4 lässt einen axialen Schnitt eines Getriebegehäuses erkennen, das die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kupplungen enthält ; die Fig. 5A - D lassen die Drehmomentcharakteristika der Kupplung und des Getriebegehäu es gemäss der Fig. 4 erkennen.
Wie die Fig. l und 2 erkennen lassen, erstreckt sich eine Antriebswelle 1 durch eine Seitenwand 2a des Kupplungsgehäuses 2, wo sie an dem aus nicht magnetischem Material bestehenden Läuferkörper 3 festgekeilt ist. Der Läuferkörper 3 weist eine zentrale Nabe 3a auf, von der sich sechs radiale Arme 3b (Fig. 2) erstrecken, die mit Zwischenräumen von 600 räumlich getrennt rund um die Nabe angeordnet sind. Die Arme 3b tragen eine Ringkonstruktion 4 mit Polstücken, die durch Schraubenbolzen 5 an den
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Armen befestigt ist. Die Ringkonstruktion umfasst einen zentralen Ring 6 aus nichtmagnetischem Material, der dazu dient, Ringe 7,8 voneinander zu trennen, von denen jeder einen Satz von sechs Polstücken 7a bzw. 8a aufweist.
Wie man sieht, ist an die Läuferkörperarme 3b der Ring 7 mittels der Bolzen 5 direkt befestigt, die auch dazu dienen, um den zentralen Ring 6 an dem Läuferkörper festzuhalten, wohingegen Schrauben- bolzen 9 den Ring 8 an dem Ring 6 festhalten. Die Polstücke 7a, 8a erstrecken sich gegen die Kupplungs- achse, so dass sie gegen die Kupplungsachse gerichtete Endflächen auf einem gemeinsamen Radius erge- ben.
Die getriebene Welle 10 erstreckt sich durch die andere Wand 2b des Gehäuses 2 und wird von Lagern t in der Gehäusewand und, an ihrem freien Ende, innerhalb der Nabe 3a getragen. Innerhalb des Gehäuses und symmetrisch zu der Mittellinie CL gemäss Fig. l ist auf die Welle 10 eine Weicheisennabe 11 aufge- keilt, die einen niedrigen magnetischen Widerstand besitzt und an ihrem Umfang einen Ring 12 aus einem Material mit hoher magnetischer Hysterese, z. B. Aluminium-, Nickel-, Kobalt-Legierung, trägt der derart bearbeitet worden ist, dass er in radialer Richtung eine Vorzugs-Magnetachse aufweist. Der ! Umfang des Ringes 12 begrent mit den Endflächen der Polstücke 7a, 8a einen engen Luftspalt 13.
Ein zylindrischer Abschnitt 2c des Kupplungsgehäuses 2 trägt einen ringförmigen Elektromagneten, der rings um die zusammengesetzte Ringkonstruktion 4 einen Abstand aufweist und eine Feldwicklung 14 zwischen einem Paar ringförmiger Polstücke 15, 16 umfasst, die durch den ein Joch bildenden Abschnitt 2c getrennt und getragen sind, wobei sie von den Ringen 7 und 8 durch den Luftspalt 17 räumlich getrennt sind. Zwischen der Wicklung 14 und den benachbarten Teilen des Gehäuses ist eine Signalwicklung 18 für den unten beschriebenen Zweck angeordnet.
Im Betrieb wird die Wicklung 14 durch Anschluss an eine Gleichstromquelle erregt und der Weg der magnetischen Kraftlinien ist folgender : Durch den zylindrischen Jochabschnitt 2c des Gehäuses 2, der die
Polstücke 15 und 16 trennt, zu dem ringförmigen Polstück 15, über den Luftspalt 17 zum Ring 7 und den sechs Polstücken 7a, über den Luftspalt 13 und durch den Ring 12. Von einer Stelle innerhalb der Nabe 11 in der Nähe des nächstgelegenen Polstückes 8a treten die magnetischen Kraftlinien wieder in den Ring 12 ein, kreuzen dann den Luftspalt 13 zu den sechs Polstücken 8a und dem Ring 8, verlaufen weiter vom
Ring 8 zu dem ringförmigen Polstück 16 über den Luftspalt 17 und schliessen den Kreislauf in dem zylin- drischen Teil 2c des Gehäuses 2.
Wenn die Antriebswelle 1 gedreht wird, folgt die Abtriebswelle 10 so lange, als der Elektromagnet erregt ist, vorausgesetzt, dass das auferlegte Drehmoment geringer ist als die Gleitdrehkraft.
Die mechanischen Charakteristika für die oben beschriebene Anordnung können aus folgender Über- legung abgeleitet werden : Die durch das Gleitenlassen der Kupplung während einer Umdrehung verlorene
Kraft ist gleich dem Drehmoment (T) x 2 Tr oder dem Produkt von : Der Anzahl der Polpaare 7a, 8a (N), dem Volumen (V) des Ringes 12 und dem Bereich (A) der B - H Kurve (Hysterese Kurve) beschrieben durch das Material, aus dem der Ring 12 hergestellt ist :
EMI2.1
EMI2.2
h. 2 Tr Tlich, das Drehmoment zu ändern, bei dem die Kupplung gleitet.
Während des Gleitens ergibt sich eine Relativbewegung zwischen der Anordnung der Polstücke 7a, 8a und dem Ring 12 ; wenn nun der Ring 12 so konstruiert ist, dass in den mit 12a bezeichneten Bereichen eine Änderung der Reluktanz des Kraftlinienweges gegeben ist, so ergibt sich eine Änderung der Kraftlinien im System, die in den Wicklungen 14,18 eine gewisse der Gleitgeschwindigkeit proportionale Spannung induziert. In dem Ausführungsbeispiel sind die inhomogenen Abschnitte in Form von Nuten 12a gebildet in Zwischenstellungen zwischen den Polstücken 7a, 8a, so dass die Reluktanz des Kraftlinienweges während des Gleitens verändert wird. Die Wicklung 18 ist also als besondere Wicklung vorgesehen, von der dieses Spannungssignal nach Wunsch abgenommen werden kann.
Die elektrischen Verbindungen für die Wicklungen 14,18 sind hier, schaubildlich gezeigt, an die Anschlussklemmleiste 19 angeschlossen, wobei die Feldwicklung 14 mit den Anschlüssen a, b und die Wicklung 18 mit den Anschlüssen c, d, verbunden ist.
Die Fig. 3A - 3C zeigen drei Anordnungen, um eine Anzeige oder ein Mass der Gleitgeschwindigkeit zu erhalten ; gemäss den Fig. 3A und 3B wird ein Gleitsignal von der Feldwicklung 14 abgeleitet, die Anordnung gemäss Fig. 3C benützt hingegen die gesonderte Signalwicklung 18, die der Feldwicklung 14 überlagert ist.
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In Fig. 3A ist ein Widerstand R in Serie mit einer Leitung zwischen der Feldwicklung 14 und der
Gleichstromquelle geschaltet und die Spannungsänderung, die über den Widerstand induziert und an einem Messinstrument M angezeigt wird, wenn ein Gleiten erfolgt, ergibt ein Mass für die Gleitgeschwindigkeit. In Fig. 3D ist die Feldwicklung 14 über die Primärwindung eines Transformators T an eine Gleichstrom- quelle angeschlossen und ein die Gleitgeschwindigkeit anzeigendes Wechselstromsignal wird in der Sekun- därwicklung induziert, wenn eine Relativdrehung zwischen dem treibenden und dem getriebenen Glied eintritt. Das Wechselstromsignal wird auf dem Messinstrument M angezeigt.
In Fig. 3C wird die Feldwicklung 14 von einer Gleichstromquelle erregt und ein Wechselstromsignal wird in der gesonderten Signalwicklung 18 induziert, wenn ein Gleiten erfolgt ; dieses Wechselstromsi- gnal wird als Gleitgeschwindigkeitsanzeige auf dem Messinstrument M benützt.
Die oben mit Bezug auf die Fig. 1-3 beschriebene Kupplung kann in einem in Fig. 4 dargestellten z, wei Geschwindigkeits-Getriebegehäuse angewendet werden ; die Fig. 4 zeigt einen axialen Schnitt durch die koaxialen Antriebs-und Abtriebswellen. Jene Teile des Getriebegehäuses, die aus nicht magneti- schen Materialien bestehen, sind durch gestrichelte Schraffierungslinien gekennzeichnet.
Das Getriebegehäuse gemäss Fig. 4 besitzt ein zusammengesetztes zylindrisches Gehäuse 20 mit ge- flanschten Seitenteilen 21,22. Die Antriebswelle 23 ist in einem Lagersatz in der einen Seitenwand 21 gelagert und erstreckt sich axial in dem Gehäuse, indem sie in einem zweiten Lagersatz gelagert ist, der von der abgesetzten Nabe 24 einer Abtriebswelle 25 getragen wird, die sich ihrerseits durch die Seitenwand 22 erstreckt. Ein Antrieb zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle kann nur dann übertragen werden, wenn wenigstens eine von zwei gleichen elektromagnetischen Kupplungen 26,27 erregt wird, wobei die Kupplungen gleiche Konstruktion und gleiche Betätigung aufweisen, wie die mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebene.
Die Teile der einen Kupplung 26 haben dieselben Bezugszeichen wie die zur Bezeichnung derselben Teile in Fig. 1 benützten, aus der ihre Wirkung entnommen werden kann.
Die'statischen Teile der Kupplungen sind mittels nichtmagnetischer Schraubenbolzen 28 verbunden, die durch die Endwand 22 und die Joche 2c in einen Ring 29 reichen, der seinerseits an der gegenüberliegenden Seitenwand 21 befestigt ist. Eine nichtmagnetische mit Öffnungen versehene Abstandsscheibe 30 zwischen den Jochen 2c und den benachbarten Polstücken der entsprechenden elektromagnetischen Kupplungen trennt die magnetischen Ströme der beiden Kupplungen. Die drehbaren äusseren Teile der Kupplungen 26,27, die in jedem Falle die Ringe 7,8, die die Polstücke 7a, 8a tragen und den Isolationsring 6 umfassen, sind durch Schraubenbolzen 31 miteinander verbunden ; diese Bolzen dienen auch dazu, die Kupplungen an radialen Fortsätzen 24a der Nabe 24 der Abtriebswelle 25 zu befestigen.
Die inneren drehbaren Teile der Kupplungen 26,27 sind so angeordnet, dass sie durch die Antriebswelle 23 angetrieben werden können, u. zw. der Teil der Kupplung 27 dadurch, dass er direkt an der Welle 23 nahe an deren freiem Ende angeordnet ist, wohingegen der Teil der Welle 26 durch die Welle 23 über ein Reduziergetriebe angetrieben wird.
Hiezu ist der innere drehbare Teil der Kupplung 26 an einer Hülse 32 angeordnet, die um die Welle 23 vorgesehen und unabhängig von ihr drehbar ist. An einem Ende der Hülse 32 ist ein Getrieberad 33 fest montiert und kann durch ein Getrieberad 34 angetrieben werden, das an der Antriebswelle 23 angeordnet ist, wobei Verbundreduziergetrieberäder 35,36 an einer drehbaren Zwischenwelle 37 befestigt sind. Im Betrieb kann ein direkter Folgeantrieb zwischen der Antriebswelle 23 und der Abtriebswelle 25 durch Erregung der Kupplung 27 allein erreicht werden, oder es ist alternativ ein langsamer mit-niedriger Geschwindigkeit laufender Antrieb durch Erregung der Kupplung 26 und Aberregen der Kupplung 27 möglich. Durch gleichzeitiges Erregen beider Kupplungen ist es möglich, wie gezeigt werden kann, das normale Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten zweimal zu übertragen.
Fig. 5A zeigt die Drehmomentcharakteristik einer Hysterese-Kupplung, in der die Linie XYZ einen kritischen Drehmomentbereich angibt, oberhalb dessen die äusseren und inneren drehbaren Teile der Kupplung synchron rotieren. Selbstverständlich ist an verschiedenen Laufpunkten entlang XYZ die induzierte Polarität des angetriebenen Teiles relativ zu den Polstücken des äusseren drehbaren Teiles um verschiedene Beträge versetzt. Beispielsweise werden beim Punkt Y mit Drehmoment Null Pole (entgegengesetzter Polarität) symmetrisch rund um den inneren drehbaren Teil induziert, das ist in Stellungen, die den Polstücken des äusseren Teiles unmittelbar benachbart sind, wie die Darstellung Y zeigt.
Wenn das Drehmoment entlang Y-X verstärkt wird, tendiert das angetriebene Glied zum Zurückbleiben, magnetisch, der Antriebsteil und die induzierten Pole im inneren drehbaren Teil sind so vorgesehen, dass die von einem einzelnen Polstück des äusseren drehbaren Teiles induzierte Polarität eben durch das nächstgelegene Polstück des äusseren Teiles umgekehrt wird, wie dies in der Darstellung X veranschaulicht ist.
Jedes weitere zwischen X und D übertragene Drehmoment ist auf Wirbelströme zurückzuführen, die in dem inneren Teil induziert werden.
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Gleiche Erwägungen passen für den negativen Drehmomentteil der Charakteristik, wenn der äussere
Teil durch eine synchrone Drehung des inneren Teiles entlang der Linie YZ Drehkraft aufnimmt. Jenseits des Punktes Z ist jedes weitere durch den äusseren Teil aufgenommene Drehmoment auf Wirbelstrom- bremswirkungen zurückzuführen. In beiden Fällen ist die infolge von Wirbelströmen übermittelte Arbeit als schraffierter Bereich gezeigt, wohingegen der nicht schraffierte Bereich DXYO die durch die Hysterese bewirkte Arbeit darstellt. Durch sorgfältige Gestaltung. des angetriebenen Teiles der Kupplung können die
Wirbelstromwirkungen auf vernachlässigbare Anteile verringert werden.
Die Fig. 5B bzw. 5C zeigen die bezüglichen Charakteristika der Kupplungen 26,27, wobei diese ge- trennt erregt sind. Wenn die Kupplung 26 allein erregt ist, läuft die Abtriebswelle mit hoher Geschwin- digkeit und es ist ein Laufpunkt R gewählt. Wenn die Kupplung 27 allein erregt wird, läuft die Abtriebs- welle mit niedriger Geschwindigkeit und mit einem entsprechenden Drehmoment, wobei der Laufpunkt bei Punkt S liegt. Wenn die beiden Kupplungen dieselbe Grösse haben und beiden eine gleiche und kon- stante Feldstärke erteilt wird, dann erscheint die Charakteristik als die Summe dieser Charakteristika, wie Fig. 5D zeigt, aus der zu erkennen ist, dass bei niedriger Geschwindigkeit das doppelte Drehmoment übertragen werden kann.
Der Zeitraum, während dessen beide Kupplungen erregt sind, kann begrenzt werden, weil die Gefahr einer Überhitzung durch das Gleiten der schnellen Kupplung 26 besteht, und es wird daher diese Betätigungsphase für Notfälle reserviert.
Die oben beschriebenen magnetischen Antriebssysteme sind besonders für eine Benützung in einer inerten Gasatmosphäre frei von Sauerstoff geeignet, in der die Leistungsfähigkeit von Kupplungen mit gleitenden Reibungsflächen unbefriedigend oder unsicher ist.
Da Wälzlager für einen Betrieb in unzugänglichen Lagen (in denen sie für eine Instandsetzungsarbeit nicht erreichbar sind) geeigneter sind als gleitende Flächen, ist das beschriebene Antriebssystem besonders vorteilhaft, da es keine gleitende Reibung hervorruft.
Das magnetische Antriebssystem wird daher mit Vorteil bei der Übertragung von Drehbewegungen innerhalb nuklearer Reaktordruckgefässe oder innerhalb eines Reaktorbehältnisses angewendet. Durch eine Überwachung oder eine fortlaufende Beobachtung des Gleitanzeigers kann eine frühe Anzeige der Bildung einer. übermässigen Hemmung, der durch den Antrieb betätigten Mechanismen erhalten werden. Wahlweise oder zusätzlich kann die Gleitanzeige auch dazu benützt werden, um von Zeit zu Zeit die zur Bewegung der Antriebe erforderliche Mindestdrehkraft zu messen, so dass die unvorteilhafte Bildung einer Reibung in den durch die Kupplungen getriebenen Teilen bemerkt werden kann. Dies kann dort von Bedeutung sein, wo das Antriebssystem in einer Kapazität verwendet wird, bei der es nur intermittierend benützt wird.
In einem Nuklearreaktor werden z. B. die mechanischen Antriebe für die Brennstoffabgabe bzw. für das Ausräumen der Brennstoffelemente vielleicht nur in seltenen Zwischenräumen benützt, sie müssen aber verlässlich arbeiten. In einem solchen Fall kann der magnetische Antrieb von Zeit zu Zeit erregt werden, um nicht nur seinen Betrieb selbst zu prüfen, sondern um unter Benützung der Gleitanzeige auch zu prüfen, ob die durch den Antrieb betätigten mechanischen Teile frei laufen.