DE10303183A1

DE10303183A1 - Wirbelstromkupplung sowie Lüfterkupplung mit einer Wirbelstromkupplung

Info

Publication number: DE10303183A1
Application number: DE10303183A
Authority: DE
Inventors: Ricardo Manuel Türksch; Andreas Dr. Wolf
Original assignee: Linnig Trucktec GmbH
Current assignee: Licos Trucktec GmbH
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: DE10303183B4

Abstract

Es wird eine Wirbelstromkupplung (4) mit einem ersten bewegbaren Kupplungselement (13) vorgeschlagen, das einen elektrisch leitenden Wirbelstromabschnitt (16) umfasst, in welchem sich Wirbelströme ausbilden können. Des Weiteren weist die Wirbelstromkupplung ein zweites Kupplungselement (10) auf, das relativ zum ersten Kupplungselement (13) bewegbar ist und an welche Magnete (14) derart angeordnet sind, dass bei einer Relativbewegung der ersten und zweiten Kupplungselemente (10, 13) zueinander die Magnete am Wirbelstromabschnitt (16) vorbeigeführt werden. Das erste und zweite Kupplungselement (10, 13) ist am Wirbelstromabschnitt (16) über einen Luftspalt (18) getrennt. Im Wirbelstromabschnitt (16) sind Magnetleitmittel (17, 17a) aus magnetisch leitendem Material vorgesehen. Erfindungsgemäß sind die Magnetleitmittel (17, 17a) in mehreren ersten Bereichen (17a), deren Fläche im Vergleich zum Wirbelstromabschnitt (16) nicht unwesentlich ist, in Richtung Luftspalt (18) geführt. Die Magnetleitmittel erstrecken sich jedoch auch, vom Luftspalt (18) aus betrachtet, zwischen den ersten Bereichen (17a) im Wirbelstromabschnitt (16) an tiefer liegenden Stellen über weitere zweite Bereiche.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Lüfterkupplung mit einer solchen wirbelstromkupplung.

Aus der europäischen Patentschrift EP 0 634 568 D1 ist eine Reibschaltkupplung für ein Lüfterrad eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors bekannt, bei welchem das Lüfterrad zur unmittelbaren Übertragung der Motordrehzahl über eine erste Reibscheibenkupplung direkt mit einer Antriebswelle verbunden ist und das Lüfterrad bei abgeschalteter Reibscheibenkupplung durch eine zweite Kupplung in Form einer Wirbelstromkupplung mitgeschleppt wird. Die wirbelstromkupplung umfasst an zwei gegenüberliegenden Kreisringbereichen auf einer Seite ein Magnetscheibenrad mit Permanentmagneten und auf der gegenüberliegenden Seite einen flachen Kupferkreisring, der auf einem flachen Stahlkreisring angeordnet ist. Durch den Stahlring wird das Magnetfeld der Wirbelströme verstärkt, wodurch sich die Effektivität der Wirbelstromkupplung verbessert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vergleichsweise verbesserte Effektivität im Hinblick auf eine Drehmomentübertragung bei Systemen mit einer Wirbelstromkupplung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Die Erfindung geht von einer Wirbelstromkupplung für insbesondere ein Aggregat einer Verbrennungskraftmaschine z.B. für ein Lüfterrad eines Ventilators oder eine Wasserpumpe aus, mit einem ersten bewegbaren Kupplungselement, das einen elektrisch leitenden Wirbelstromabschnitt umfasst, in welchem sich Wirbelströme ausbilden können und mit einem zweiten Kupplungselement, das relativ zum ersten Kupplungselement bewegbar ist und an welchem Magnete, insbesondere Permanentmagnete derart angeordnet sind, dass bei einer Relativbewegung der ersten und zweiten Kupplungselemente zueinander die Magnete an den Wirbelstromabschnitten vorbeigeführt werden, wobei das erste und zweite Kupplungselement am Wirbelstromabschnitt über einen Luftspalt getrennt ist und wobei im Wirbelstromabschnitt Magnetleitmittel aus magnetisch leitendem Material vorgesehen sind. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass die Magnetleitmittel zur merklichen Verbesserung der Einkopplung des magnetischen Feldes von induzierten Wirbelströmen in das Feld der Magnete in mehreren ersten Bereichen, deren Fläche im Vergleich zur zu den Magneten schauenden Fläche des Wirbelstromabschnitts nicht unwesentlich ist, planmäßig in Richtung Luftspalt geführt sind, sich jedoch auch vom Luftspalt aus betrachtet, zwischen den ersten Bereichen an im Wirbelstromabschnitt tiefer liegenden Stellen über weitere zweite Bereiche erstrecken. Über diese Bereiche sollten sich die Magnete ebenfalls vorbeibewegen. Die Fläche der ersten Bereiche sollte vorzugsweise nicht weniger als 20 % der Fläche des Wirbelstromabschnitts betragen, um eine spürbare verbesserte Einkopplung des magnetischen Feldes von induzierten Wirbelströmen zu erreichen.

Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Teil der Magnetleitmittel, vorzugsweise alle Magnetleitmittel der ersten Bereiche spaltfrei mit den Magnetleitmitteln der zweiten Bereiche verbunden, um eine möglichst gute magnetische Kopplung zu erreichen. Vorteilhafterweise erstrecken sich die ersten Bereich zumindest annähernd über die komplette Breite des länglichen Wirbelstromabschnitts.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und zweite Kupplungselement drehbar gelagerte, vorzugsweise im Wesentlichen rotationssymmetrische Körper, in welchen der Wirbelstromabschnitt als auch die Magnete in jeweils einem kreisringförmigen Bereich ausgebildet sind, wobei sich die Kreisringbereiche gegenüber liegen. Es ist auch möglich, dass sich in den Kreisringbereichen Wirbelstromabschnitte sowie Abschnitte mit Magneten abwechseln.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere bei kreisringförmigen Magnet- und wirbelstrombereichen, sind die ersten Bereiche länglich und erstrecken sich radial.

Die ersten Bereiche folgen vorzugsweise dabei so dicht aufeinander, dass die zweiten Bereiche ebenfalls länglich und radial ausgebildet sind.

Um eine Optimierung der magnetischen Einkopplung des magnetischen Feldes von induzierten Wirbelströmen zu erhalten, wird im Weiteren vorgeschlagen, dass zumindest in einem Teil der ersten Bereiche die Magnetleitmittel bis zum Luftspalt geführt sind. Vorteilhafterweise sind die Magnetleitmittel in allen ersten Bereichen bis unmittelbar an den Luftspalt herangeführt. Auf diese Weise wird eine Interaktion zwischen dem Feld der Magnete und dem in den Magnetleitmitteln konzentriertem Feld der induzierten Wechselströme lediglich durch einen schmalen Luftspalt unterbrochen. D.h. die Führung des magnetischen Feldes in nicht magnetisch leitendem Material ist lediglich auf den Luftspalt reduziert.

Gegenüber einer herkömmlichen Wirbelstromkupplung kann durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei einer entsprechenden Dimensionierung der ersten und zweiten Bereiche ohne weiteres eine bis zu dreifach höhere Drehmomentübertragung bei gleicher magnetischer Energie der eingesetzten Magnete erreicht werden.

Im Weiteren ist es bevorzugt, wenn die Magnetleitmittel einen flächigen Kreisring umfassen, bei welchem auf einer Fläche vorzugsweise gleich beabstandete Erhebungen angeordnet sind. Die Erhebungen können im Querschnitt rechteckförmig sein und als radiale Stege ausgestaltet sein, deren Länge bevorzugt der Breite des Kreisrings entspricht. Die Stege können in ihrer Höhe, d.h. ihrer Dimension senkrecht zur Kreisringfläche so dimensioniert sein, dass sie bis zum Luftspalt reichen.

In einer überdies bevorzugten Ausführungsform wird ein derart, z.B. als Stahlring ausgestaltetes Magnetleitmittel, in den Wirbelstromabschnitt, der beispielsweise aus Aluminium besteht, eingegossen. Dadurch lassen sich Erhebungen der Magnetleitmittel vergleichsweise einfach bündig mit der Oberfläche des Wirbelstromabschnitts ausgestalten.

Die beschriebene Wirbelstromkupplung kann bevorzugt in Lüfterkupplungen für den Ventilator eines Verbrennungsmotors oder einer Wasserpumpe mit einer oder mehreren elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplungen kombiniert eingesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen
1 ein Ausschnitt einer Lüfterkupplung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht bei einem Schnitt durch die Mittellinie der Antriebswelle,
2 in einer perspektivischen Darstellung eine Wirbelstromringscheibe mit eingegossenen Magnetleitmitteln und
3 die Magnetleitmittel in Alleinstellung ebenfalls in einer perspektivischen Ansicht.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels:
In 1 ist eine zweistufige Lüfterkupplung 1 abgebildet. Die Lüfterkupplung 1 umfasst zwei elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplungen 2, 3 sowie eine Wirbelstromkupplung 4.
Die Ankerringschreiben 5, 6 der Reibscheibenkupplungen 2, 3 werden von Elektromagneten 7, 8 bewegt, die in einem feststehenden Stator 9 angeordnet sind.
Für den Fall, dass beide Reibscheibenkupplungen 2, 3 außer Eingriff sind, wird ein Flansch 10 eines Lüfterrades lediglich mit Reibmomenten einer Kugellageranordnung 11 angetrieben, sofern sich eine Antriebswelle 12 dreht. Bei sich in Eingriff befindender Reibscheibenkupplung 3 wird die Drehung der Antriebswelle 12 auf einen Mittelring 11a der Kugellageranordnung 11 übertragen, an dem ein Kühlring 13 fest angeordnet ist. In dessen radial äußeren Bereich befindet sich die Wirbelstromkupplung. Durch die Wirbelstromkupplung wird der Flansch 10 des Lüfterrades mitgeschleppt.
Bei sich in Eingriff befindender Reibscheibenkupplung 3 wird der Flansch 10 des Lüfterrades unmittelbar angetrieben.
Die Wirbelstromkupplung 4 ist wie folgt aufgebaut:
In einem Kreisringbereich sind am Flansch 10 in Umfangsrichtung Permanentmagnete 14 in Umfangsrichtung mit alternierender Polung (Nord/Süd) angeordnet. Die Permanentmagnete 14 werden durch einen Distanzring 15 in ihrer Position fixiert.
Bei sich drehendem Kühlring 13 induzieren die Magnetfelder der Permanentmagnete 14 in einem Wirbelstrombereich 16 des Kühlrings 13 Wirbelströme. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete 14 in eine Interaktion tritt und diesem Magnetfeld derart entgegenwirkt, dass der Flansch 10 durch eine Drehung des Kühlrings 3 ebenfalls in eine Drehung versetzt wird.
Normalerweise ist der Wirbelstrombereich 16 in Form einer elektrisch gut leitenden Kreisringscheibe (z.B. aus Kupfer) aufgebaut, die auf einer Stahlringscheibe angeordnet ist. Die Stahlringscheibe verbessert die Ausbildung des magnetischen Feldes der durch die Permanentmagnete induzierten Wirbelströme.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem eine Stahlringscheibe 17 als Magnetleitmittel mit Stegen 17a versehen ist, die bis an einen Luftspalt 18 zwischen Kühlring 13 und Flansch 10 heranreichen. Die ebenfalls stegförmigen Zwischenräume 19 zwischen den Stegen 17a sowie in radialer Richtung ein innen und außen liegender Bereich sind hier mit Aluminium ausgegossen, so dass zusammen mit den Stegen eine bündige Oberfläche aus magnetisch leitendem Material und elektrisch sehr gut leitendem Material entsteht. Durch diesen Materialmix, der dem Permanentmagneten gegenüber liegt, werden aufgrund des Magnetfelds der Permanentmagnete in dem gut leitenden Material 19, hier Aluminium, zwischen den Stegen 17a weitaus größere Wirbelströme erzeugt, als in den Stegen 17a selbst. Dabei wird jedoch die Feldführung durch die Stege 17a und den Stahlring 17 des Magnetfelds der Wirbelströme in den Zwischenbereichen 19 in einem magnetisch schlecht leitenden Material auf den Luftspalt reduziert wird. Damit lässt sich eine deutlich verbesserte Einkopplung des Magnetfelds der Wirbelströme im Vergleich zu einem Stahlring ohne Stege in das Feld der Permanentmagnete erzielen, wodurch eine deutlich höhere Drehmomentübertragung vom Kühlring 13 auf den Flansch 10 des Lüfterrades realisierbar ist.
Bei gleichbleibenden Permanentmagneten lässt sich für das vorliegende Beispiel eine Steigerung der Drehmomentübertragung um ca. den Faktor 3 erreichen. Dieser Vorteil kann jedoch nicht nur durch eine höhere Drehmomentübertragung genutzt werden, sondern auch durch die Möglichkeit, bei gleichem Drehmoment die Wirbelstromkupplung kleiner zu dimensionieren.
Der Wirbelstrombereich in Form des mit Aluminium ausgegossenen Stahlrings 17 mit Stegen 17a lässt sich über Bohrungen 20 (siehe 2 und 3) und entsprechende Schrauben am Kühlring 13 in einfacher Weise fixieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stahlring 17 mit Stegen 17a in den Kühlring 13 aus Aluminium eingegossen, wobei die Stegenden mit der übrigen Kühlringoberfläche an diesen Stellen bündig sind.
Der Stahlring 17 mit Stegen 17a lässt sich in einem Umformprozess spanlos herstellen.
Die Dimensionierung der Breite bs der radial angeordneten Stege zur Breite bw der entsprechend radial angeordneten Bereichen 19 für die Ausbildung von Wirbelströmen kann im Hinblick auf einen Ausgleich zwischen maximalem magnetischen Wirkungsgrad und Maximierung der elektrischen Wirbelströme optimiert werden. Vorliegend beträgt das Flächenverhältnis der radialen Stege 17a zu den Zwischenbereichen 19 ungefähr 1:1. Mit anderen Materialien können gegebenenfalls andere Flächenverhältnisse zu einer Maximierung der Drehmomentübertragung der Wirbelstromkupplung 1 führen.

1: Lüfterkupplung
2: Reibschreibenkupplung
3: Reibscheibenkupplung
4: Wirbelstromkupplung
5: Ankerringscheibe
6: Ankerringscheibe
7: Elektromagnet
8: Elektromagnet
9: Stator
10: Flansch
11: Kugellageranordnung
11a: Mittelring
12: Antriebswelle
13: Kühlring
14: Permanentmagnet
15: Distanzring
16: Wirbelstrombereich
17: Stahlring
17a: Steg
18: Luftspalt
19: Aluminium
20: Bohrung

Claims

Wirbelstromkupplung (4) mit einem ersten bewegbaren Kupplungselement (13), das einen elektrisch leitenden Wirbelstromabschnitt (16) umfasst, in welchem sich Wirbelströme ausbilden können und mit einem zweiten Kupplungselement (10), das relativ zum ersten Kupplungselement (13) bewegbar ist und an welchem Magnete (14) derart angeordnet sind, dass bei einer Relativbewegung der ersten und zweiten Kupplungselemente (10, 13) zueinander die Magnete am Wirbelstromabschnitt (16) vorbeigeführt werden, wobei das erste und zweite Kupplungselement (10, 13) am Wirbelstromabschnitt (16) über einen Luftspalt (18) getrennt ist und wobei im Wirbelstromabschnitt (16) Magnetleitmittel (17, 17a) aus magnetisch leitendem Material vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetleitmittel (17, 17a) in mehreren ersten Bereichen (17a), deren Fläche im Vergleich zum Wirbelstromabschnitt (16) nicht unwesentlich ist, in Richtung Luftspalt (18) geführt sind, sich jedoch auch vom Luftspalt (18) aus betrachtet zwischen den ersten Bereichen (17a) im Wirbelstromabschnitt (16) an tiefer liegenden Stellen über weitere zweite Bereiche (17) erstrecken.
Wirbelstromkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Kupplungselement (10, 13) drehbar gelagerte Körper sind, an welchen der Wirbelstromabschnitt (16) als auch die Magnete (14) in jeweils einem kreisringförmigen Bereich ausgebildet sind, wobei sich die Kreisringbereiche gegenüberliegen.
Wirbelstromkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bereiche (17a) länglich sind und sich radial erstrecken.
Wirbelstromkupplung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Bereiche (17) länglich sind und sich radial erstrecken.
Wirbelstromkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Teil der ersten Bereiche (17a) die Magnetleitmittel bis zum Luftspalt (18) geführt sind.
Wirbelstromkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetleitmittel (17, 17a) einen flächigen Kreisring umfassen, bei welchem auf einer Fläche Erhebungen (17a) angeordnet sind.
Wirbelstromkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetleitmittel (17, 17a) in den Wirbelstromabschnitt (16) eingegossen sind.
Lüfterkupplung (1) für einen Lüfter eines Verbrennungsmotors mit einer oder mehreren elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplungen (2, 3) und einer Wirbelstromkupplung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Wasserpumpenkupplung für eine Wasserpumpe eines Verbrennungsmotors mit einer oder mehreren elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplungen (2, 3) und einer Wirbelstromkupplung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.