Magnetische Hysteresis-Antriebsübertragungseinrichtung Die Erfindung betrifft eine magnetische Antriebs übertragungseinrichtung und macht vom Hysteresis- Effekt magnetischer Materialien Gebrauch, der be reits in einer bekannten Hysteresis-Kupplung zur Anwendung gelangte. Diese Art Kupplung hat die Gestalt von zwei drehbaren Teilen, von denen der eine mit einer Anzahl magnetischer Polpaare zum andern Teil versehen ist, welch letzterer rotations symmetrische Form hat und aus einem Material mit grossen Hysteresis-Verlusten, das ist ein permanent magnetisches Material, besteht.
In diesem Material werden Pole induziert, die bestrebt sind, ihre magne tische Polarität beizubehalten, so dass, wenn der eine Teil gedreht wird, der andere in synchroner Drehung folgt.
Wenn die beiden Teile gezwungen werden, mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu laufen, entsteht in der Kupplung ein Schlupf, und das maximal über tragbare Drehmoment ist proportional der Anzahl der Polpaare, dem Volumen des Materials mit hohem Hysteresis-Effekt und der Fläche der Hysteresis-Schleife, die dem Material aufgezwungen wird.
Gemäss der Erfindung ist eine magnetische Hysteresis-Anroriebsübertragungseinrichtung mit einem treibenden und einem getriebenen Teil geschaffen, die voneinander durch einen Luftspalt getrennt sind, durch welchen ein Drehmoment durch ma gnetische Feldkräfte zwischen polarisierenden Polen des einen Teils und induzierten Polen des an dern Teils übertragbar sind, welche Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der erstgenannte Teil zwei Sätze von zwischeneinandergreifenden Polstücken aufweist, die von zwei magnetisch getrennten Ringen entgegengesetzter Polarität aus sich gegen den andern Teil erstrecken, innerhalb welchem erstgenannten Teil der magnetische Fluss zwischen aufeinanderfolgenden Polstücken verläuft.
Die Einrichtung kann einen Elektromagneten aufweisen, der bezüglich der treibenden und getrie benen Teile derart angeordnet ist, dass er bei Erre gung einen entsprechenden Magnetismus in den Ma gnetpolen induziert. Falls zu diesem Zweck von einem stationären Elektromagneten Gebrauch ge macht wird, können elektrische Schleifkontakte für den Antrieb vermieden werden.
Die Antriebsvorrichtung kann ferner Mittel zum Feststellen eines Schlupfes zwischen den treibenden und getriebenen Teilen aufweisen. Dies kann wie derum ohne Schleifkontakte verwirklicht werden., indem einer der Teile mit mindestens einer inhomo- genen Partie versehen wird, die bewirkt, dass beim Auftreten eines Schlupfes eine Veränderung des ma gnetischen Widerstandes im magnetischen Fluss zwi schen den Teilen entsteht, und durch Mittel zum Feststellen und Messen eines elektrischen Signals, welches infolge der Flussänderung erzeugt wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird dieselbe nun an Hand der beigefügten Zeichnung beispielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Axialschnitt durch eine elektromagnetische Kupp lung.
Fig. 2 zeigt ebenfalls in vereinfachter Darstellung die gleiche Kupplung, teils im Schnitt nach den Li nien A-A und B-B, teils in Ansicht gemäss den Pfeilen C-C, in Fig. 1.
Fig.3A-3C stellen je eine andere elektrische Schaltung zum Erzielen einer Messung oder Anzeige der Schlupfgeschwindigkeit dar.
Fig.4 zeigt einen Axialschnitt durch ein Ge triebe, das Kupplungen gemäss Fig. 1 und 2 enthält. Fig. 5A-5D veranschaulichen Drehmoment-Cha- rakteristiken der Kupplung und des Getriebes gemäss Fig. 4.
Gemäss Fig. 1 und 2 verläuft eine Antriebswelle 1 durch die eine Seitenwand 2a eines Kupplungs gehäuses 2, wo ein Rad 3 aus unmagnetischem Ma terial auf die Welle 1 aufgekeilt ist. Das Rad 3 be steht aus einer zentralen Nabe 3a und aus sechs radial nach aussen abstehenden Armen 3b, die ge mäss Fig. 2 mit einer Teilung von 60 rund um die Nabe 3a angeordnet sind. Die Arme 3b tragen ein mehrteiliges Ringgebilde 4, welches Polstücke auf weist, die mit Hilfe von Schrauben 5 an den Armen 3b befestigt sind.
Das Ringgebilde 4 weist ferner einen zentralen Ring 6 aus unmagnetischem Mate rial auf, der dazu dient, zwei Ringe 7 und 8 von einander entfernt zu halten, an denen je ein Satz von sechs Polstücken 7a bzw. 8a ausgebildet ist.
Wie dargestellt, ist der Ring 7 unmittelbar an den Armen 3b mit Hilfe der Schrauben 5 befestigt, die auch zum Verbinden des zentralen Ringes 6 mit dem Rad 3 dienen, während der Ring 8 mittels Schrauben 9 am zentralen Ring 6 gesichert ist. Die Polstücke 7a und 8a erstrecken sich gegen die Kupp lungsachse und greifen zwischen einander zwecks Bildung von gegen die Achse gerichteten, auf einer gemeinsamen kreiszylindrischen Ringfläche liegenden Endflächen, die bezüglich einer Radialebene symme trisch angeordnet sind.
Eine getriebene Welle 10 verläuft durch die an dere Seitenwand 2b des Gehäuses 2 und ist mit Hilfe von Lagern sowohl in der Gehäusewand 2b als auch in der Nabe 3a drehbar gelagert. Im Innern des Ge häuses 2 und symmetrisch in bezug auf die Mittel linie C-L in Fig. 1 ist auf der Welle 10 eine Nabe 11 aufgekeilt, die aus einem Material mit geringem magnetischem Widerstand besteht und an ihrem Um fang einen Ring 12 aus einem Material mit grossem Hysteresis-Effekt, z. B. Aluminium-Nickel-Kobalt- Legierung, trägt.
Der Ring 12 ist so behandelt wor den, dass er eine bevorzugte magnetische Achse in radialer Richtung zeigt. Der Umfang des Ringes 12 begrenzt zusammen mit den Endflächen der Pol stücke 7a und 8a einen schmalen ringförmigen Luftspalt 13.
Eine zylindrische Partie 2c des Kupplungs gehäuses 2 trägt ausserhalb des zusammengesetzten Ringgebildes 4 einen ringförmigen Elektromagneten, welcher eine Feldspule 14 zwischen einem Paar von ringförmigen Polstücken 15 und 16 aufweist. Die ringförmigen Polstücke 15 und 16 sind durch die als Joch dienende Gehäusepartie 2c voneinander distanziert und unter Belassung eines Luftspaltes 17 im Abstand von den Ringen 7 und 8 gehalten. Zwi schen der Feldspule 14 und der gegenüberliegenden Gehäusepartie 2c befindet sich eine Signalspule 18, deren Zweck weiter unten beschrieben ist.
Im Betrieb wird die Feldspule 14 durch Verbin dung mit einer Gleichstromquelle erregt, wobei der magnetische Fluss wie folgt verläuft: Von der zylin- drischen Jochpartie 2c des Gehäuses 2 zum ring förmigen Polstück 15, über den Luftspalt 17 zum Ring 7 und zu den sechs Polstücken 7a und dann über den Luftspalt 13 zum Ring 12. Von einer Stelle innerhalb der Nabe 11 gegenüber dem benachbarten Polstück 8a tritt der magnetische Fluss wieder in den Ring 12 ein; dann durchquert er den Luftspalt 13 zu den sechs Polstücken 8a und zum Ring 8, wonach der Fluss vom Ring 8 über den Luftspalt 17 zum ringförmigen Polstück 16 verläuft und schliess lich den Kreislauf in der zylindrischen Partie 2c des Gehäuses 2 schliesst.
Wenn die Welle 1 gedreht wird, folgt die Welle 10 dieser Bewegung, solange der Elektromagnet er regt ist, vorausgesetzt, dass das zu übertragende Drehmoment geringer ist als das Schlupfdrehmoment.
Die mechanische Charakteristik für die beschrie bene Einrichtung kann aus folgenden überlegungen gefunden werden: Die Arbeit, welche durch Schlüp fen der Kupplung um eine Umdrehung verlorengeht, ist gleich dem Drehmoment (73 multipliziert mit 2 7 oder dem Produkt aus der Anzahl (N) der Pol paare<I>7a,</I> 8a, dem Volumen (V) des Ringes 12 und der Fläche (A) der BH-Kurve (Hysteresis-Kurve) des Materials, aus welchem der Ring 12 hergestellt ist:
EMI0002.0040
Somit kann durch Veränderung der Stärke des elektromagnetischen Feldes und damit des Wertes A das Drehmoment, bei welchem die Kupplung schlüpft, geändert werden.
Während des Schlüpfens der Kupplung existiert eine relative Bewegung zwischen dem Gebilde der Polstücke 7a und 8a und dem Ring 12; und durch eine solche Ausbildung des Ringes 12, dass an Zonen 12a desselben der magnetische Fluss einen veränder ten magnetischen Widerstand vorfindet, lassen sich im gesamten magnetischen Kreis gewisse Änderun gen des magnetischen Flusses erzielen, welche Fluss- änderungen in den Spulen 14 und 18 eine gewisse, zur Schlupfgeschwindigkeit proportionale Spannung induzieren.
Im vorliegenden Beispiel sind die inhomo- genen Partien durch Nuten 12a gebildet, die an Stellen zwischen den aufeinanderfolgenden Pol stücken 7a und 8a angeordnet sind, um den magne tischen Widerstand des Flusses beim Schlüpfen der Kupplung zu variieren. Von der separaten Spule 18 kann die erzeugte Signalspannung gewünschtenfalls abgenommen werden.
In Fig. 1 sind die Anschlüsse der Spulen 14 und 18 schematisch zu einem Klem- menblock 19 geführt, der zwei Anschlussklemmen a und<I>b</I> für die Feldspule 14 und zwei Anschluss klemmen c und d für die Spule 18 aufweist.
Die Fig. 3A-3C zeigen drei Möglichkeiten zur Erzielung einer Anzeige oder Messung der Schlupf geschwindigkeit, wobei Fig. 3A und 3B das Her leiten eines Schlupfsignals von der Feldspule 14 zei gen, während die Schaltung nach Fig. 3C von der separaten Signalspule 18 Gebrauch macht, die auf die Feldspule 14 aufgebracht ist.
Gemäss Fig. 3A ist ein Widerstand R in Reihe mit dem einen Leiter zwischen der Feldspule 14 und der Spannungsquelle DC geschaltet und ein Mess- instrument über den Widerstand R gelegt zum An zeigen und Messen der Änderung des Spannungs abfalles über dem Widerstand R, wenn ein Schlupf auftritt, als Mass für die Schlupfgeschwindigkeit. Nach Fig. 3B ist die Feldspule 14 mit einer Gleich stromquelle DC über die Primärwicklung eines Transformators T verbunden,
in dessen Sekundär wicklung eine der Schlupfgeschwindigkeit proportio nale Wechselspannung induziert wird, wenn eine relative Drehung zwischen dem treibenden und dem getriebenen Teil der Kupplung auftritt. Das Wechsel spannungssignal wird an einem Messinstrument M angezeigt.
Gemäss Fig. 3C ist die Feldspule 14 durch eine Gleichspannungsquelle DC erregt, während an die Signalspule 18 ein Messinstrument M angeschlossen ist, welches die in der Spule 18 induzierte Spannung als Mass für die Schlupfgeschwindigkeit anzeigt, wenn ein Schlupf auftritt.
Eine Anwendung der vorstehend mit Bezug auf Fig. 1-3 beschriebenen Kupplung ist in einem Zwei geschwindigkeitsgetriebe, wie es in Fig. 4 im axialen Schnitt durch die gleichachsig angeordneten An triebs- und Abtriebswellen dargestellt ist. Diejenigen Teile des Getriebes, die aus unmagnetischem Mate rial bestehen, sind mit gestrichelten Linien schraf fiert.
Gemäss Fig. 4 hat das Getriebe ein mehrteiliges zylindrisches Gehäuse 20 mit angeflanschten End- schildern 21 und 22. Eine Antriebswelle 23 ist durch ein Lager im Endschild 21 gelagert und erstreckt sich in axialer Richtung ins Innere des Gehäuses 20, wo sie durch ein zweites Lager in einer ausgenom menen Nabe 24 der Abtriebswelle 25 abgestützt ist, welche den Endschild 22 durchsetzt und in demsel ben drehbar gelagert ist.
Eine Kraftübertragung zwi schen der Antriebswelle 23 und der Abtriebswelle 25 kann nur dann erfolgen, wenn mindestens eine von zwei ähnlichen elektromagnetischen Kupplungen 26 und 27 erregt wird, von denen jede sowohl im Aufbau als auch in der Wirkungsweise derjenigen gemäss Fig. 1 und 2 ähnlich ist. Die Bestandteile der einen Kupplung 26 sind mit den gleichen Bezugs ziffern bezeichnet wie in Fig. 1, woraus die Wir kungsweise ohne weiteres verständlich ist.
Die ruhenden Teile der Kupplungen sind durch unmagnetische Bolzen 28 zusammengehalten, welche durch den einen Endschild 22 und die Joche 2c hin durchgehen und in einen Ring 29 eingeschraubt sind, der seinerseits mit dem andern Endschild 21 verbunden ist. Eine unmagnetische, mit einer zen tralen öffnung versehene Distanzscheibe 30 ist zwi schen den beiden Jochen 2c und den angrenzenden Polstücken der Elektromagnete der Kupplungen an geordnet und dient zur Trennung der magnetischen Kreise der zwei Kupplungen.
Die äussern, drehbaren Teile der Kupplungen 26 und 27, welche in jedem Fall aus den Ringen 7 und 8 mit den Polstücken 7a und 8a sowie dem magnetisch nichtleitenden Ring 6 bestehen, sind miteinander durch Bolzen 31 ver bunden, die auch zur Sicherung der genannten Teile an einem radialen Flansch der Nabe 24 der Ab triebswelle dienen.
Die innern drehbaren Teile der Kupplungen 26 und 27 sind so angeordnet, dass sie mittels der An triebswelle 23 gedreht werden können. Der innere Teil der Kupplung 27 ist unmittelbar auf die Welle 23 nahe bei ihrem innern Ende montiert, wogegen jener der Kupplung 26 von der Welle 23 aus über ein Reduktionsgetriebe antreibbar ist.
Zum zuletztgenannten Zweck ist der innere dreh bare Teil der Kupplung 26 auf einer Hülse 32 be festigt, welche um die Welle 23 angeordnet und von dieser unabhängig drehbar ist. Ein Zahnrad 33 ist auf dem einen Ende der Hülse 32 befestigt und wird von einem Zahnrad 34 aus, das auf der Antriebs welle 23 sitzt, durch miteinander verbundene Zahn räder 35 und 36 angetrieben, die auf einer dreh baren Vorgelegewelle 37 befestigt sind.
Im Betrieb kann eine direkte Antriebsverbin dung der Welle 25 mit der Antriebswelle 23 durch Erregen der Kupplung 27 allein erreicht werden, oder es ist möglich, eine niedrigere Geschwindigkeit der Abtriebswelle 25 durch Erregen der Kupplung 26 und Ausschalten der Kupplung 27 zu erreichen. Es kann gezeigt werden, dass durch gleichzeitiges Er regen beider Kupplungen das zweifache normale Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit über tragen werden kann.
Fig. 5A zeigt die Drehmoment Charakteristik einer Hysteresis-Kupplung in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, wobei die Abszisse die Dreh geschwindigkeit der Abtriebswelle und die Ordinate das positive oder negative Drehmoment darstellen. Die Linie XYZ stellt den kritischen Drehmoment bereich dar, in welchem der äussere und der innere drehbare Teil der Kupplung synchron drehen. Es ist verständlich, dass für verschiedene Punkte längs der Linie XYZ die induzierten Pole des getriebenen Teils um verschiedene Beträge gegenüber den Pol stücken des äussern drehbaren Teils verschoben sind.
Beispielsweise im Punkt Y, bei welchem das Dreh moment null ist, sind Pole (von entgegengesetzter Polarität) symmetrisch rund um den innern dreh baren Teil induziert, das heisst an Stellen, die den Polstücken des äussern Teils unmittelbar benachbart sind, wie in Fig. 5A durch das Diagramm Y ver anschaulicht ist.
Wenn das Drehmoment entlang der Linie Y-X erhöht wird, bekommt der getriebene Teil die Tendenz, bezüglich dem treibenden Teil magnetisch nachzulaufen, und die Lage der induzier ten Pole des innern drehbaren Teils wird so sein, dass die von irgendeinem bestimmten Polstück des äussern drehbaren Teils induzierte Polarität beginnt durch das benachbarte Polstück des äussern Teils umgekehrt zu werden, wie im Diagramm bei X von Fig. 5A dargestellt ist.
Zwischen den Punkten<I>X</I> und<I>D</I> hat das allen falls weiter übertragene Drehmoment seine Ursache in Wirbelströmen, die im innern Teil induziert wer den.
Analoge Überlegungen gelten für negative Dreh momente, die entlang der Linie YZ dargestellt sind und auftreten, wenn der äussere Teil bei synchronem Lauf vom innern Teil Drehmomente absorbiert. Jenseits des Punktes Z hat jedes weitere durch den äussern Teil absorbierte Drehmoment seine Ursache in Wirbelstrombremswirkungen. In beiden Fällen ist die infolge Wirbelströmen übertragene Arbeit durch eine schraffierte Fläche dargestellt,
wogegen die unschraffierte Fläche DXYO die durch die Hysteresis geleistete Arbeit veranschaulicht. Durch sorgfältige Dimensionierung und Ausbildung des ge triebenen Teils der Kupplung können die Wirbel stromeffekte vernachlässigbar klein gehalten werden.
Fig. 5B und 5C zeigen die bezüglichen Charak teristiken der Kupplungen 26 und 27, wenn diese einzeln erregt sind. Wenn nur die Kupplung 26 er regt ist, dreht die Abtriebswelle mit hoher Geschwin digkeit, bei welcher ein Betriebspunkt R gewählt sei. Wenn nur die Kupplung 27 allein erregt ist, dreht die Abtriebswelle mit niedriger Geschwindigkeit, und bei einem entsprechenden Drehmoment ergibt sich der Betriebspunkt S.
Unter der Bedingung, dass die beiden Kupplungen die gleiche Grösse haben und mit gleicher, konstanter Feldstärke erregt werden, ergibt sich die in Fig. 5D dargestellte Charak teristik als Summe der in Fig. 5B und 5C gezeigten Charakteristiken. Fig. 5D lässt erkennen, dass bei der niedrigen Geschwindigkeit das zweifache Dreh moment übertragen werden kann. Die Zeitdauer, während welcher die beiden Kupplungen erregt wer den, sollte begrenzt bleiben wegen der Gefahr unzu lässiger Erwärmung infolge Schlüpfens der rascheren Kupplung 26; diese Betriebsart ist daher für den Gebrauch bei Notfällen reserviert.
Die oben beschriebenen magnetischen Antriebs einrichtungen sind insbesondere zur Verwendung in Schutzgasatmosphären ohne Sauerstoff geeignet, in denen Kupplungen mit gleitenden Reibungsflächen unbefriedigend oder ungewiss arbeiten.
Da Wälzlager zum Betrieb an unzugänglichen Stellen, wo sie nicht für den Unterhalt zugänglich sind, eher geeignet sind als Gleitlager und gleitende Flächen, ist die beschriebene Antriebseinrichtung, die keine gleitende Reibung ergibt, besonders vorteilhaft.
Die magnetische Antriebsübertragungseinrichtung kann daher mit Vorteil zur Übertragung von Dreh bewegungen im Innern der Druckgefässe von Kern reaktoren oder innerhalb eines Reaktors Anwendung finden. Durch eine automatische Überwachung oder laufende Beobachtung des Schlupfanzeigers kann eine frühzeitige Anzeige von im Entstehen begrif fenen, unzulässigen Hemmungen in den mittels der Einrichtung angetriebenen Mechanismen erzielt wer- den.
Anstatt dessen oder zusätzlich kann die Schlupfanzeige von Zeit zu Zeit zur Messung des minimalen Drehmomentes benutzt werden, das zum Bewegen der Antriebseinrichtungen erforderlich ist, so dass das unvorhergesehene Auftreten von Rei bung in den mittels der Kupplungen angetriebenen Teilen ermittelt werden kann. Dies kann wichtig sein, wenn die Antriebseinrichtung zu einem Zweck gebraucht wird, bei welchem sie nur intermittierend in Betrieb ist.
Zum Beispiel in einem Kernreaktor werden die mechanischen Antriebe zum Herausnehmen der Brennstoffelemente nur in unhäufigen Intervallen gebraucht, aber sie müssen zuverlässig arbeiten. In einem solchen Fall kann die magnetische Antriebs einrichtung von Zeit zu Zeit erregt werden, damit nicht nur ihre eigene Betriebstüchtigkeit, sondern mit Hilfe der Schlupfanzeige auch der freie Lauf der mechanischen Teile geprüft werden kann, welche durch die Einrichtung angetrieben werden müssen.
Magnetic hysteresis drive transmission device The invention relates to a magnetic drive transmission device and makes use of the hysteresis effect of magnetic materials, which has already been used in a known hysteresis clutch. This type of coupling has the shape of two rotatable parts, one of which is provided with a number of magnetic pole pairs to the other, the latter having a rotationally symmetrical shape and made of a material with large hysteresis losses, that is, a permanently magnetic material .
Poles are induced in this material that tend to maintain their magnetic polarity so that when one part is rotated, the other follows in synchronous rotation.
If the two parts are forced to run at different speeds, the clutch will slip and the maximum torque that can be borne will be proportional to the number of pole pairs, the volume of the material with high hysteresis effect and the area of the hysteresis loop, which is imposed on the material.
According to the invention, a magnetic hysteresis drive transmission device is created with a driving and a driven part, which are separated from one another by an air gap through which a torque can be transmitted by magnetic field forces between polarizing poles of one part and induced poles of the other part, which device is characterized in that the first-mentioned part comprises two sets of interdigitated pole pieces which extend from two magnetically separated rings of opposite polarity towards the other part, within which first-mentioned part the magnetic flux between successive pole pieces runs.
The device can have an electromagnet which is arranged with respect to the driving and driven parts in such a way that when energized it induces a corresponding magnetism in the magnet poles. If a stationary electromagnet is used for this purpose, electrical sliding contacts for the drive can be avoided.
The drive device can furthermore have means for determining a slip between the driving and driven parts. This can in turn be achieved without sliding contacts, in that one of the parts is provided with at least one inhomogeneous part, which causes a change in the magnetic resistance in the magnetic flux between the parts when a slip occurs, and by means for determining and measuring an electrical signal that is generated as a result of the change in flow.
For a better understanding of the invention, the same is now explained with reference to the accompanying drawing, for example.
Fig. 1 shows a simplified representation of an axial section through an electromagnetic hitch ment.
FIG. 2 also shows a simplified representation of the same coupling, partly in section along lines A-A and B-B, partly in view according to arrows C-C in FIG. 1.
3A-3C each show a different electrical circuit for achieving a measurement or display of the slip speed.
Fig. 4 shows an axial section through a Ge gear, the couplings according to FIGS. 1 and 2 contains. FIGS. 5A-5D illustrate torque characteristics of the clutch and the transmission according to FIG.
1 and 2, a drive shaft 1 extends through one side wall 2a of a clutch housing 2, where a wheel 3 made of non-magnetic material is wedged onto the shaft 1. The wheel 3 be consists of a central hub 3a and six radially outwardly projecting arms 3b, which are arranged according to FIG. 2 with a pitch of 60 around the hub 3a. The arms 3b carry a multi-part ring structure 4 which has pole pieces which are attached to the arms 3b with the aid of screws 5.
The ring structure 4 also has a central ring 6 made of non-magnetic mate rial, which serves to keep two rings 7 and 8 from each other, on each of which a set of six pole pieces 7a and 8a is formed.
As shown, the ring 7 is attached directly to the arms 3b by means of the screws 5, which also serve to connect the central ring 6 to the wheel 3, while the ring 8 is secured to the central ring 6 by means of screws 9. The pole pieces 7a and 8a extend against the coupling axis and engage between each other for the purpose of forming against the axis, lying on a common circular cylindrical annular surface end surfaces which are symmetrically arranged with respect to a radial plane.
A driven shaft 10 extends through the other side wall 2b of the housing 2 and is rotatably supported by bearings both in the housing wall 2b and in the hub 3a. Inside the Ge housing 2 and symmetrically with respect to the center line CL in Fig. 1, a hub 11 is keyed on the shaft 10, which consists of a material with low reluctance and at its start a ring 12 made of a material with large hysteresis effect, e.g. B. aluminum-nickel-cobalt alloy carries.
The ring 12 is treated so that it shows a preferred magnetic axis in the radial direction. The circumference of the ring 12, together with the end faces of the pole pieces 7a and 8a, defines a narrow annular air gap 13.
A cylindrical part 2c of the coupling housing 2 carries an annular electromagnet outside the assembled ring structure 4, which electromagnet has a field coil 14 between a pair of annular pole pieces 15 and 16. The ring-shaped pole pieces 15 and 16 are spaced apart from one another by the housing part 2c serving as a yoke and are kept at a distance from the rings 7 and 8, leaving an air gap 17. Between tween the field coil 14 and the opposite housing part 2c is a signal coil 18, the purpose of which is described below.
In operation, the field coil 14 is excited by being connected to a direct current source, the magnetic flux running as follows: From the cylindrical yoke section 2c of the housing 2 to the ring-shaped pole piece 15, via the air gap 17 to the ring 7 and to the six pole pieces 7a and then through the air gap 13 to the ring 12. From a point within the hub 11 opposite the adjacent pole piece 8a, the magnetic flux re-enters the ring 12; then it crosses the air gap 13 to the six pole pieces 8a and to the ring 8, after which the flow from the ring 8 over the air gap 17 to the annular pole piece 16 and finally closes the circuit in the cylindrical part 2c of the housing 2.
When the shaft 1 is rotated, the shaft 10 follows this movement as long as the electromagnet is excited, provided that the torque to be transmitted is less than the slip torque.
The mechanical characteristics for the device described can be found from the following considerations: The work that is lost by one revolution by slipping the clutch is equal to the torque (73 multiplied by 2 7 or the product of the number (N) of poles pairs <I> 7a, </I> 8a, the volume (V) of the ring 12 and the area (A) of the BH curve (hysteresis curve) of the material from which the ring 12 is made:
EMI0002.0040
Thus, by changing the strength of the electromagnetic field and thus the value A, the torque at which the clutch slips can be changed.
During the slip of the clutch there is relative movement between the structure of the pole pieces 7a and 8a and the ring 12; and by designing the ring 12 in such a way that the magnetic flux has a changed magnetic resistance at zones 12a of the same, certain changes in the magnetic flux can be achieved in the entire magnetic circuit, which flux changes in the coils 14 and 18 are certain , induce a voltage proportional to the slip speed.
In the present example, the inhomogeneous parts are formed by grooves 12a which are arranged at points between the successive pole pieces 7a and 8a in order to vary the magnetic resistance of the flux when the clutch is slipped. The generated signal voltage can be taken from the separate coil 18, if desired.
In FIG. 1, the connections of the coils 14 and 18 are routed schematically to a terminal block 19 which has two connection terminals a and b for the field coil 14 and two connection terminals c and d for the coil 18 .
3A-3C show three possibilities for achieving a display or measurement of the slip speed, FIGS. 3A and 3B showing the deriving of a slip signal from the field coil 14, while the circuit of FIG. 3C of the separate signal coil 18 use makes that is applied to the field coil 14.
3A, a resistor R is connected in series with one conductor between the field coil 14 and the voltage source DC and a measuring instrument is placed across the resistor R to show and measure the change in the voltage drop across the resistor R when a Slip occurs as a measure of the slip speed. According to Fig. 3B, the field coil 14 is connected to a direct current source DC via the primary winding of a transformer T,
in the secondary winding an alternating voltage proportional to the slip speed is induced when a relative rotation occurs between the driving and the driven part of the clutch. The AC voltage signal is displayed on a measuring instrument M.
According to FIG. 3C, the field coil 14 is excited by a direct voltage source DC, while a measuring instrument M is connected to the signal coil 18, which displays the voltage induced in the coil 18 as a measure of the slip speed when a slip occurs.
An application of the clutch described above with reference to FIGS. 1-3 is in a two-speed transmission, as shown in Fig. 4 in axial section through the coaxially arranged to drive and output shafts. Those parts of the transmission that consist of non-magnetic mate rial are fiert with dashed lines.
According to FIG. 4, the transmission has a multi-part cylindrical housing 20 with flanged end plates 21 and 22. A drive shaft 23 is supported by a bearing in the end plate 21 and extends in the axial direction into the interior of the housing 20, where it is supported by a second bearing is supported in an exception menen hub 24 of the output shaft 25, which passes through the end shield 22 and is rotatably mounted in ben demsel.
A power transmission between tween the drive shaft 23 and the output shaft 25 can only take place if at least one of two similar electromagnetic clutches 26 and 27 is energized, each of which is similar both in structure and in operation to those shown in FIGS. 1 and 2 . The components of a clutch 26 are denoted by the same reference numerals as in Fig. 1, from which we can easily understand.
The stationary parts of the couplings are held together by non-magnetic bolts 28 which pass through one end shield 22 and the yokes 2c and are screwed into a ring 29 which in turn is connected to the other end shield 21. A non-magnetic, provided with a central opening spacer 30 is arranged between the two yokes 2c and the adjacent pole pieces of the electromagnets of the clutches and serves to separate the magnetic circuits of the two clutches.
The outer, rotatable parts of the couplings 26 and 27, which in each case consist of the rings 7 and 8 with the pole pieces 7a and 8a and the magnetically non-conductive ring 6, are connected to each other by bolts 31, which also secure the parts mentioned serve on a radial flange of the hub 24 from the drive shaft.
The inner rotatable parts of the couplings 26 and 27 are arranged so that they can be rotated by means of the drive shaft 23. The inner part of the coupling 27 is mounted directly on the shaft 23 near its inner end, whereas that of the coupling 26 can be driven from the shaft 23 via a reduction gear.
For the latter purpose, the inner rotatable face part of the coupling 26 is fastened on a sleeve 32 BE, which is arranged around the shaft 23 and is rotatable independently of this. A gear 33 is mounted on one end of the sleeve 32 and is driven by a gear 34 which sits on the drive shaft 23 through interconnected gears 35 and 36 which are mounted on a rotatable countershaft 37 ble.
In operation, a direct drive connection of the shaft 25 with the drive shaft 23 can be achieved by energizing the clutch 27 alone, or it is possible to achieve a lower speed of the output shaft 25 by energizing the clutch 26 and disengaging the clutch 27. It can be shown that if both clutches are excited at the same time, twice the normal torque can be transmitted at low speed.
Fig. 5A shows the torque characteristic of a hysteresis clutch in a right-angled coordinate system, the abscissa representing the rotational speed of the output shaft and the ordinate representing the positive or negative torque. The line XYZ represents the critical torque range in which the outer and inner rotatable parts of the coupling rotate synchronously. It is understandable that for different points along the line XYZ, the induced poles of the driven part are shifted by different amounts with respect to the pole pieces of the outer rotatable part.
For example, at point Y, at which the torque is zero, poles (of opposite polarity) are induced symmetrically around the inner rotatable part, that is, at points that are immediately adjacent to the pole pieces of the outer part, as in FIG. 5A is illustrated by the diagram Y ver.
If the torque is increased along the line YX, the driven part will tend to magnetically lag with respect to the driving part, and the location of the induced poles of the inner rotatable part will be such that those induced by any particular pole piece of the outer rotatable part Polarity begins to be reversed by the adjacent pole piece of the outer part, as shown in the diagram at X of Figure 5A.
Between the points <I> X </I> and <I> D </I>, the torque that is transmitted, if any, is caused by eddy currents that are induced in the inner part.
Similar considerations apply to negative torques, which are shown along the line YZ and occur when the outer part absorbs torques from the inner part when running synchronously. Beyond point Z, every additional torque absorbed by the outer part is caused by eddy current braking effects. In both cases, the work transferred as a result of eddy currents is shown by a hatched area,
whereas the unshaded area DXYO illustrates the work done by the hysteresis. The eddy current effects can be kept negligibly small by careful dimensioning and design of the driven part of the clutch.
Fig. 5B and 5C show the related Charak teristiken of the clutches 26 and 27 when they are individually energized. If only the clutch 26 is excited, the output shaft rotates at high speed, at which an operating point R is selected. If only the clutch 27 is energized, the output shaft rotates at low speed, and with a corresponding torque, the operating point S results.
Under the condition that the two clutches have the same size and are excited with the same constant field strength, the charac teristics shown in Fig. 5D results as the sum of the characteristics shown in Fig. 5B and 5C. FIG. 5D shows that twice the torque can be transmitted at the low speed. The period of time during which the two clutches are energized who should remain limited because of the risk of inadmissible heating due to slipping of the faster clutch 26; this operating mode is therefore reserved for use in emergencies.
The magnetic drive devices described above are particularly suitable for use in protective gas atmospheres without oxygen, in which clutches with sliding friction surfaces work unsatisfactorily or uncertainly.
Since roller bearings are more suitable than plain bearings and sliding surfaces for operation in inaccessible places where they are not accessible for maintenance, the drive device described, which does not result in sliding friction, is particularly advantageous.
The magnetic drive transmission device can therefore advantageously be used for the transmission of rotary movements in the interior of the pressure vessels of core reactors or within a reactor. By automatic monitoring or continuous observation of the slip indicator, an early indication of inadmissible inhibitions in the mechanisms driven by the device can be achieved.
Instead, or in addition, the slip indicator can be used from time to time to measure the minimum torque required to move the drive devices so that the unforeseen occurrence of friction in the parts driven by the clutches can be determined. This can be important if the drive device is used for a purpose in which it is only in operation intermittently.
For example, in a nuclear reactor, the mechanical drives for removing the fuel elements are only used at infrequent intervals, but they must work reliably. In such a case, the magnetic drive device can be energized from time to time so that not only its own operability, but also the free running of the mechanical parts can be checked with the help of the slip indicator, which must be driven by the device.