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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hysteresekupplung/bremse gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Hysteresekupplungen
und Hysteresebremsen sind in vielen Ausführungsformen bekannt. Sie weisen
den Vorteil einer berührungslosen
Drehmomentübertragung über einen
Luftspalt auf. Die Arbeitsweise von Hysteresekupplungen bzw. Hysteresebremsen
beruht ganz allgemein auf magnetischer Kraftwirkung sich anziehender
Pole im Synchronlauf bzw. auf ständiger
Ummagnetisierung eines an diesen Polen vorbeibewegten permanentmagnetischen Hysteresematerials
im Schlupfbetrieb.
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Hysteresebremsen
eignen sich insbesondere zum Einsatz als Ablaufbremse bei der Verarbeitung
von Material in einer Produktionsanlage wie z. B. Verseilen, Zwirnherstellung
etc. Die Anlage definiert dabei die Geschwindigkeit, mit welcher
das Material vom Ablauf abgezogen wird, wobei die Ablaufbremse die
Zugkraft definiert. Zu diesem Zweck wird das Material aus dem Vorrat
in geeigneter Weise über
eine Laufrolle geführt,
z. B. indem es diese umschlingt, wobei die Laufrolle die Bremswirkung
der Hysteresebremse auf das Material überträgt.
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Hysteresekupplungen
und -bremsen sind beispielsweise aus der
DE 39 05 216 C2 , der
DE 199 17 667 A1 und
der
DE 37 32 766 A1 der
Anmelderin bekannt, wobei das übertragbare
Drehmoment in Abhängigkeit
von dem durch eine Erregerspule fließenden Strom einstellbar ist.
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Die
DE 39 05 216 C2 der
Anmelderin beschreibt eine elektrisch steuerbare Hysteresekupplung,
wobei das übertragbare
Drehmoment in Abhängigkeit
von dem durch eine Erregerspule fließenden Strom einstellbar ist.
Die an sich nach allgemein bekanntem Prinzip arbeitende elektrisch
steuerbare Hysteresekupplung ist ohne Nabenkränze von Spulengehäuse und
Polring ausgeführt,
so dass die Spule mit nur geringem Spalt die Antriebswelle aus magnetisierbarem
Material unmittelbar umschließt.
Hierbei sind dem Spulengehäuse
Polring und Anker axial nachgeordnet und die Spule langgestreckt
gestaltet. Dadurch ergibt sich ein so geringer Außendurchmesser
der Kupplungsteile, dass sie nötigenfalls
vollständig
in einen Innenhohlraum der Abtriebswelle konzentrisch zur Antriebswelle
axial eingeschoben werden kann. Das ermöglicht bei verringertem Aufwand an
Material auch den nachträglichen
Einbau von Hysteresekupplungen zwischen vorhandene Wellenabstützungen,
weil kein axialer Zusatzbauraum erforderlich ist.
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Die
DE 199 17 667 A1 der
Anmelderin beschreibt eine elektromagnetische Hystereseeinheit mit
magnetischen Nordpolen, die zu magnetischen Südpolen in einem Abstand in
Umfangsrichtung um eine Rotationsachse und abwechselnd zu diesen
an einem Magnetkörper,
umfassend eine Magnetspule, angeordnet sind. Hierbei ist ein mit
einem Rotor verbundener Hysteresering mit einem geringen Spiel zu den
Polen bewegbar. Bei dieser Hystereseeinheit liegen die Umfangsflächen der
Nordpole und Südpole auf
demselben Kreis und gegenüber
derselben Umfangsfläche
des Hystereserings, wodurch radialer Bauraum zur Verfügung gestellt
wird, um den Hysteresering in den Rotor aus gut wärmeleitendem
Material einzubetten und gegebenenfalls Kühlrippen vorzusehen.
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Aus
der
DE 37 32 766 A1 der
Anmelderin ist eine permanenterregte Hysteresekupplung bekannt, deren übertragbares
Drehmoment durch eine manuelle Veränderung der Eintauchtiefe eines
Hysterese-Ringkörpers
in einem zwischen zwei Polringen eines Permanentmagneten gebildeten
Luftspalt veränderbar
ist. Die aus der
DE
37 32 766 A1 bekannte Hysteresekupplung weist ein als Glockenläufer ausgebildetes
Hystereseteil und ein aus einem inneren und einem äußeren Polring
bestehendes Erregerteil auf, wobei die Magnetpole zu beiden Mantelflächen des
Glockenläufers
angeordnet sind. Hierbei bestehen die Polringe aus weichmagnetischem
Werkstoff und Permanentmagnetstücken,
die vollständig
in den weichmagnetischen Werkstoff eingebettet sind, so dass dem
Glockenläufer
zugewandte magnetische Pole abwechselnd vom Permanentmagnet und Weichmagnet
gebildet werden. Des weiteren sind der innere und der äußere Polring
starr miteinander verbunden, aber magnetisch durch einen nicht magnetisierbaren
Zwischenring getrennt. Die Polringe sind derart ausgerichtet, dass
sich vom äußeren zum
inneren Polring jeweils gleichnamige Pole radial gegenüberstehen.
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Dadurch,
dass bei Hysteresesystemen die Drehmomentübertragung berührungslos
erfolgt, ist bei den bekannten Hysteresesystemen das Verhältnis von übertragbarem
Drehmoment zu erforderlichem Bauraum signifikant ungünstiger
als bei Kupplungen und Bremsen mit form- oder reibschlüssiger Kraftübertragung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hysteresekupplung/bremse
anzugeben, bei der die Drehmoment-Bauraumrelation im Vergleich zu
den aus den Stand der Technik bekannten Systemen deutlich verbessert
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere
erfindungsgemäße Ausgestaltungen
und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach
wird eine Hysteresekupplung/bremse vorgeschlagen, welche einen Magnetkörper mit
einem inneren Polring und einem äußeren Polring
sowie einen aus permanentmagnetischem Material bestehenden Anker
mit einem permanentmagnetischen Hysteresering umfasst, bei der zwischen
dem inneren Polring und dem äußeren Polring radial
betrachtet zumindest ein Zwischenpolring angeordnet ist, wobei der
Anker für
jeden Zwischenpolring einen weiteren zusätzlichen Hysteresering aufweist,
und wobei die Hystereseringe derart angeordnet sind, dass jeder
Hysteresering durch das Magnetfeld zwischen zwei unterschiedlichen
Polringen magnetisch durchflutet wird. Der Magnetkörper kann
eine Erregerspule aufweisen oder permanentmagnetisch ausgebildet
sein.
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Hierbei
zwingt ein zwischen den Polen in Umfangsrichtung bestehender Versatz
dem Hysteresematerial eine tangentiale Aufmagnetisierung auf; es
entsteht eine einer Drehbewegung des Ankers entgegenwirkende Widerstandskraft,
die durch die erforderliche Ummagnetisierungsenergie bedingt ist. Dadurch
kann z.B. eine mit dem Anker drehfest verbundene Welle abgebremst
werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Konzeption wird
die Energie des Magnetkreises der Hysteresekupplung/bremse durch
eine entsprechende Magnetkreisgestaltung mit Doppel- oder Mehrfachanordnung
besser ausgenutzt. Insbesondere durch die spezielle Anordnung von
einem oder mehreren Zwischenpolringen und die dementsprechende Verwendung
von zwei oder mehreren permanentmagnetischen Hystereseringen wird
gemäß der vorliegenden Erfindung
das Magnetfeld mehrfach ausgenutzt und durch die somit erforderliche,
wesentlich höhere
Ummagnetisierungsenergie im gleichen Bauraum ein wesentlich höheres, übertragbares
Drehmoment erzielt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht und eine Draufsicht einer Hysteresekupplung
gemäß der Erfindung;
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2 eine
schematische Schnittansicht und die entsprechende Draufsicht einer
Ausführungsform einer
Hysteresebremse gemäß der Erfindung;
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3 eine
schematische Darstellung des Magnetflusses für den Fall einer Zweifachanordnung der
Hystereseringe;
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4 eine
schematische Draufsicht der Gestaltung des Zwischenpolringes bei
einer Zweifachanordnung der Hystereseringe, enthaltend eine Darstellung
des Magnetflusses;
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5 eine
schematische Schnittansicht und die entsprechende Draufsicht eines
Ankers, umfassend zwei Hystereseringe gemäß der Erfindung; und
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6 eine
schematische Draufsicht einer möglichen
Anordnung der Zwischenpolringe und der Hystereseringe bei einer
Dreifachanordnung der Hystereseringe.
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Bezugnehmend
auf 1, bei der der rechte Teil eine Draufsicht auf
einen Schnitt entlang der Linie A-A ist, umfasst eine erfindungsgemäße Hysteresekupplung/bremse 1 einen
Magnetkörper 2 mit
einer Erregerspule 3, einen inneren Polring 4,
einen Zwischenpolring 5 und einen äußeren Polring 6. Des weiteren
umfasst die Hysteresekuppiung/bremse 1 einen aus permanentmagnetischem
Material bestehenden Anker 7 mit zwei permanentmagnetischen Hystereseringen 8, 9,
wobei die Hystereseringe 8, 9 derart angeordnet
sind, dass jeder Hysteresering 8, 9 durch das
Magnetfeld zwischen zwei unterschiedlichen Polringen magnetisch
durchflutet wird. Der Magnetkreis wird durch die gestricheltre Linie
im linken Teil der Figur veranschaulicht.
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Bei
dem gezeigten Beispiel wird der Hysteresering 8 durch das
Magnetfeld zwischen dem äußeren Polring 6 und
dem Zwischenpolring 5 durchflutet; der Hysteresering 9 wird
durch das Magnetfeld zwischen dem Zwischenpolring 5 und
dem inneren Polring 4 durchflutet. Die Polringe 4, 5, 6 sind
durch einen nicht magnetisierbaren Ring 10 verbunden.
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Das
in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich vom Ausführungsbeispiel
gemäß 1 dadurch,
dass der Magnetkörper 2 und
der äußere Polring 6 in
ein Bauteil integriert sind.
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3 ist
eine Detailansicht der in den 1 und 2 gezeigten
Anordnung der Polringe 5, 6 und 7 und
der Hystereseringe 8, 9 zur Veranschaulichung
des Magnetflusses. Dieser wird durch die Pfeile visualisiert. Bei
dieser Ausführungsform
sind die Pole der Polringe derart angeordnet, dass sich vom inneren
bis zum äußeren Polring
entgegengesetzte Pole radial gegenüberstehen. Der äußere Polring 6 ist
als Ring mit radial betrachtet nach innen gerichteten Zähnen ausgebildet,
welche die Pole bilden und der innere Polring 4 ist als
Ring mit radial betrachtet nach außen gerichteten und die Pole
bildenden Zähnen
ausgebildet; der Zwischenpolring 5 ist als Ring mit in
Umlaufrichtung abwechselnd angeordneten radial gerichteten Dipolen
und Lücken
ausgebildet. Wie aus der Figur ersichtlich, sind die Zähne des äußeren und
des inneren Polrings derart angeordnet, dass sich radial betrachtet
jeweils Zähne
bzw. Lücken
gegenüberstehen.
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Alternativ
dazu können
die Pole der Polringe derart angeordnet sein, dass sich vom inneren
bis zum äußeren Polring
gleichnamige Pole radial gegenüberstehen.
Diese Anordnung ist Gegenstand der 4, welche
eine Draufsicht auf eine Anordnung der Zwischenpolringe darstellt.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist der
Zwischenpolring 5 als Ring mit in Umlaufrichtung abwechselnd
angeordneten entgegengesetzten Polen ausgebildet, wobei die Nordpole
durch radial betrachtet nach innen gerichtete Zähne und die Südpole durch
radial betrachtet nach außen
gerichtete Zähne
gebildet werden.
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Ein
weiterer Unterschied zur Ausführungsform
nach 3 besteht darin, dass der innere Polring 4 bezüglich des äußeren Polringes 6 derart
versetzt angeordnet ist, dass radial betrachtet die Zähne eines
Polringes 4 Lücken
des anderen Polringes 6 gegenüberstehen. Der durch diese
Anordnung bedingte magnetische Fluss ist durch die Pfeile (Feldlinien)
veranschaulicht.
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Die
Hystereseringe 8, 9 können als Einzelbauteile oder
einteilig ausgebildet sein. Bei dem in 5 gezeigten
Beispiel sind die Hystereseringe 8, 9 aus einem
breiteren Ring einteilig ausgebildet, wobei zwischen den beiden
Ringen 8, 9 ein ausgestanzter Bereich 12 als
magnetische Trennung vorgesehen ist. Die nicht ausgestanzten Bereiche
bilden die Verbindungsstege 11 zwischen den Ringen 8, 9,
wobei die Verbindungsstege in vorteilhafter Weise gering dimensioniert
sind, um die magnetische Verbindung zwischen den Ringen 8, 9 möglichst
gering zu halten. Über
die Verbindungsstege 11 kann die Verbindung zum Anker 7 erfolgen,
die beispielsweise eine Schraubverbindung sein kann. Durch die einteilige
Ausbildung der Ringe 8, 9 werden die Herstellungskosten
reduziert.
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Alternativ
dazu können
die Ringe 8, 9 als Einzelbauteile hergestellt
werden, die anschließend über unmagnetische
Verbindungsstege 11 miteinander verbunden werden.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Hysteresekupplung/bremse dargestellt,
bei der zwischen dem äußeren Polring 6 und
dem inneren Polring 4 radial betrachtet zwei Zwischenpolringe 5, 13 angeordnet
sind. Gemäß der Erfindung
weist der Anker für
jeden Zwischenpolring einen weiteren zusätzlichen Hysteresering auf,
so dass drei Hystereseringe 8, 9 und 14 vorgesehen
sind, wobei jeder Hysteresering 8, 9, 14 durch
das Magnetfeld zwischen zwei unterschiedlichen Polringen magnetisch
durchflutet wird.
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Die
beschriebene erfindungsgemäße Lösung zur
Steigerung der Drehmoment-Bauraumrelation ist sowohl für elektromagnetisch
erregte Hysteresekupplungen und Hysteresebremsen, als auch für entsprechende
permanentmagnetische Systeme anwendbar.
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Durch
die Erfindung wird die „Drehmomentdichte" einer Hysteresekupplung
oder einer Hysteresebremse in vorteilhafter Weise deutlich gesteigert; des
weiteren kann durch die Verwendung mehrerer Ankerringe in geeigneter
Anordnung die zulässige Schlupfleistung
des Gesamtsystems signifikant erhöht werden.
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Selbstverständlich fällt auch
jede konstruktive Ausbildung, insbesondere jede räumliche
Anordnung der Bauteile der erfindungsgemäßen Hysteresekupplung/bremse
an sich sowie zueinander und soweit technisch sinnvoll, unter den
Schutzumfang der vorliegenden Ansprüche, ohne die Funktion der Hysteresekupplung/bremse,
wie sie in den Ansprüchen
angegeben ist, zu beeinflussen, auch wenn diese Ausbildungen nicht
explizit in den Figuren oder in der Beschreibung dargestellt sind.
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- 1
- Hysteresekupplung/bremse
- 2
- Magnetkörper
- 3
- Erregerspule
- 4
- innerer
Polring
- 5
- Zwischenpolring
- 6
- äußerer Polring
- 7
- Anker
- 8
- Hysteresering
- 9
- Hysteresering
- 10
- nicht
magnetisierbarer Ring
- 11
- Verbindungssteg
- 12
- ausgestanzter
Bereich
- 13
- Zwischenpolring
- 14
- Hysteresering