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Elektromagnetische Wirbelstromkupplung Die Erfindung bezieht sich
auf eine elektromagnetische Wirbelstromkupplung mit zwei Rotoren, von denen der
eine mit fingerförmig ineinandergreifenden Feldstücken und der andere mit einer
ununterbrochenen zylindrischen Oberfläche ausgeführt ist, wobei zwischen den Polzahnreihen,
die durch die fingerförmig ineinandergreifenden Feldstücke gebildet werden, und
der zylinderförmigen Oberfläche des zweiten Rotors ein Luftspalt vorhanden ist.
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Wirbelstromkupplungen dieser Gattung besitzen eine Feldspule, die
zusammen mit einem umlaufenden Ring rotierend angeordnet ist. Infolge der sich drehenden
Feldspule sind Schleifringe, Bürsten und Kollektoren erforderlich. Ferner sind die
Zähne bei der bekannten Einrichtung an dem Ende derselben vorgesehen, wodurch erhebliche
Streuflüsse unvermeidbar sind. Zwischen den Rotoren tritt ein erheblicher Schlupfabfall
auf, wobei keine Vorkehrungen zum Verringern desselben getroffen sind. Abgesehen
vom komplizierten Aufbau ist eine solche Kupplung daher wenig wirksam.
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Es ist ferner bei elektromagnetischen Kupplungen anderer Gattungen
an und für sich bekannt, die Erregerwicklung feststehend anzuordnen. Hierbei handelt
es sich jedoch um eine Kupplungseinrichtung, bei der die Zähne nicht am Spulenumfang,
sondern an den Enden der Spule vorgesehen sind. Eine solche Kupplungseinrichtung
stellt eine sehr rohe Bauart dar, deren Wirkungsgrad sehr schlecht ist.
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Gegenüber den bekannten Bauarten geht die Erfindung davon aus, eine
in ihrem Aufbau äußerst einfache und trotzdem besonders wirksame Kupplung zu schaffen,
wobei ihre Leistungsfähigkeit gegenüber den bekannten Bauarten durch die Schaffung
günstiger Schlupfverhältnisse zwischen den beiden Rotoren, ferner durch die Herabsetzung
des Luftwiderstandes und der Reibung und durch die Erzielung einer günstigen Kühlmittelbeschleunigung
und des geeigneten Kühlmittelaustritts erhöht wird.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der erste Rotor mit am
Umfang angeordneten, fingerförmig ineinandergreifenden Induktionsfeldstücken von
ungefähr C-förmigem axialem Querschnitt die stationäre Induktionsfeldwicklung und
einen Kernring umgibt, von denen er durch Luftspalte getrennt ist, während er von
der ihn umgebenden Induktionstrommel des zweiten Rotors durch einen zugleich zum
Durchströmen der im Betriebszustand der Kupplung unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte
stehenden Kühlflüssigkeit dienenden Luftspalt getrennt ist.
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Hierdurch entsteht ein einfacher, eine lange Lebensdauer gewährleistender
Aufbau. Durch die Verwendung der Kühlmittelströmung beim gewählten Aufbau mit stationären
Induktionsfeldwicklungen wird insofern ein neuer Effekt erreicht, als die Kühlflüssigkeit
durch den Luftspalt zwischen den Zähnen und der Induktionstrommel unter dem Einfluß
der Zentrifugalkraft beim Drehen der Rotoren hindurchgeleitet wird. Die Bauart gemäß
der Erfindung gestattet hierbei, die Instandhaltungskosten herabzusetzen; sie sichert
außerdem unter den jeweiligen Betriebsbedingungen dauernd eine zwangläufige Geschwindigkeitskontrolle
bzw. -steuerung. Ein weiterer erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Bauart besteht
unter anderem in der durch die radiale Ausrichtung der Spaltpaare bedingten wirksamen
Verringerung des Streuflusses, der daran gehindert wird, die Wellen der Kupplung
zu erreichen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Es ist
Fig. 1 ein axialer Querschnitt der unteren Hälfte einer Wirbelstromkupplung gemäß
der einen Ausführungsform der Erfindung und nach der Linie 1-1 der Fig. 2, Fig.
2 ein rechter Aufriß, gesehen in der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 quer zur Linie
3-3 der Fig. 1 eine abgewikkelte Darstellung einer bestimmten Polzahnanordnung,
wie sie für die Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 benutzt wird, Fig. 4
eine der Fig. 1 gleiche Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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Es wird jetzt vor allem auf die Fig. 1 Bezug genommen. Der stationäre
Gehäuseaufbau 1 besteht aus einer mittleren Hülse 3 mit Stützen 5 und Abschlußrahmen
7 und 9. Die Lager 11 in einer Hülse 8 des
Abschlußrahmens 7 dienen
zur Lagerung einer angetriebenen Welle 13. Die Lager 15 in einer Hülse 10 des Abschlußrahmens
9 dienen zur Lagerung einer Antriebswelle 17. Unter bestimmten Umständen kann die
Weile 17 die angetriebene Welle und die Welle 13 die Antriebswelle sein. Ein nicht
magnetisierbarer Ring 19 ist auf der Innenseite des Ahschlußrahmens 7 angeschweißt.
Durch Schrauben 21 hält der Ring 19 einen stationären, magnetisierbaren Ring 23,
z. B. aus Eisen. Der Ring 23 ist bei 24 zur Aufnahme und Lagerung einer ringförmig
gewickelten Induktionsfeldwicklung 25 rechtwinklig ausgenommen. Die Wicklung ist
geschützt, indem sie in einem Kupferbehälter 26 untergebracht ist, der mit einem
Harz gefüllt ist.
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Auf der angetriebenen Welle 13 ist bei 27 eine Nabe 28 einer inneren,
magnetisierbaren, axialen Hülse 29 aufgekeilt. Sie bildet einen Teil eines magnetisierbaren
Induktionsfeldstückes 31. Ein zweiter radialer Teil des Induktionsfeldstückes 31
wird durch einen magnetisierbaren Ring 33 gebildet, der an der Hülse 29 durch Schrauben
35 befestigt ist. Axial vom Ring 33 erstrecken sich im Abstand voneinander stehende,
mit dem Ring aus einem Stück bestehende, magnetisierbare Polzähne 37, auf deren
Innenseiten ein nicht magnetisierbarer Ring 39, z. B. aus Kupfer, angeschweißt ist.
41 sind im Abstand voneinander stehende, magnetisierbare Polzähne, welche fingerartig
zwischen die Zähne 37 eingreifen und unnachgiebig hierzu gehalten werden. Dies wird
dadurch erreicht, daß sie an dem nicht magnetisierbaren Ring 39 angeschweißt sind.
Die Zähne 44 bestehen mit einem magnetisierbaren Ringteil 43 aus einem Stück. Es
bildet im Querschnitt der Aufbau der Teile 29, 33, 37, 39, 41 und 43 eine C-Form
um den im Querschnitt rechteckigen Aufbau des Ringes 23 und der Wicklung 25. Der
innere Schenkelteil der C-Form ist magnetisch kontinuierlich, während der äußere
Schenkelteil durch den Zusammenbau der ineinandergreifenden, magnetisch voneinander
isolierten Polzahngruppen 37 und 41 gebildet wird. Der magnetisierbare Ring 43 verbindet
sämtliche Polzähne 41. Der magnetisierbare Ring 33 verbindet sämtliche Polzähne
37. Die ineinandergreifenden Zähne 37, 41 haben keinen unmittelbaren magnetischen
Kontakt, weil der Ring 39, der sie mechanisch miteinander verbindet, nicht magnetisierbar
ist. Es gibt auf der einen Seite der Wicklung 25 ein Paar Luftspalte 45 und 47 zwischen
den Stücken 29, 23 bzw. 23, 43. Ihre radialen Abmessungen sind minimal und betragen
beispielsweise - 0,38 bis 0,71 mm. Die innere und äußere Stirnseite eines jeden
Luftspalts 45 und 47 ist zylinderförmig.
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Bei 49 ist auf der Antriebswelle 17 eine Nabe 51 mit Speichen 53 aufgekeilt,
zwischen welchen Wasserleitungsöffnungen 55 angeordnet sind. Die Speichen enden
an einem konusförmigen Ring 57, der einen nach innen gerichteten Flansch 59 aufweist.
Die Nabe 51 hat ebenfalls einen nach außen gerichteten Flansch 61, der mit dem Flansch
59 einen ringförmigen Schlitz 63 bildet. der zu einer ringförmigen Tasche 65 führt.
An der Außenseite des Rings 57 ist eine magnetisierbare Induktortrommel 67 angeschweißt,
deren innere Oberfläche als glatter Zylinder bearbeitet ist. Die Außenseiten der
miteinander fingerförmig im Eingriff stehenden Zähne 37 und 41 des Induktionsfeldaufbaus
31 sind ebenfalls zylinderförmig bearbeitet, so daß man einen Luftspalt 68 zwischen
den Zähnen und der Trommel in der Größenordnung von - 0,5 mm erhält.
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In dem Abschlußrahmen 9 ist ein Einlaßrohr 62 für ein flüssiges Kühlmittel
(Wasser) eingeschraubt. Das innere Ende des Einlaßrohres 62 endet innerhalb des
Schlitzes 63. Das Wasser wird dem Einlaßrohr 62 über ein Speiserohr 71 zugeführt.
Das Wasser fließt durch die Kanäle 65, 55, den Spalt 68 in den unteren Teil des
Gehäuseaufbaues 1, wie dies durch die Stromlinienteile D angedeutet ist. Das Wasser
kann durch ein Auslaßrohr 73 entweichen. Bei 75 befindet sich eine Stelle für eine
thermostatische Steuerung in kraftschlüssiger Verbindung mit einem Wassersteuerventil
in der Leitung 71, welches nicht dargestellt ist. Infolge der Zentrifugalkraft,
die durch die Drehung auftritt, wird das Wasser durch den Spalt und über den Spalt
gespritzt, wenn es zum Spalt fließt. Man verwendet nur so viel Wasser, daß lediglich
ein dünner Wasserfilm entsteht, um eine hydraulische Bremsung zu vermindern.
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Es sind Labyrinthdichtungen zwischen den stationären und rotierenden
Teilen vorgesehen. Die Hülse 8 erstreckt sich bei 77 in eine Ausnehmung 79 der Nabe
28. Die Hülse 10 erstreckt sich bei 81 in eine Ausnehmung 83 der Nabe 51.
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Auf der Außenseite des Anschlußrahmens 7 ist der Stator 85 eines kleinen
Steuergenerators befestigt, dessen Rotor 87 auf der angetriebenen Welle 13 befestigt
ist. Der Steuergenerator spricht auf die Veränderungen der Geschwindigkeit der Welle
13 an, wodurch die Erregung der Wicklung 25 in an sich bekannter Weise gesteuert
wird. Bei konstanter Geschwindigkeit der Antriebswelle 17 kann die Geschwindigkeit
der Welle 13 über einen Steuerkreis reguliert werden, welcher den Generator 85,
87 mit dem Speisekreis für die Wicklung 25 verbindet.
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Die Arbeitsweise ist wie folgt: Es sei angenommen. die Antriebswelle
17 wird mit einer ungefähr konstanten Geschwindigkeit von einem Motor od. dgl. angetrieben.
Die Wicklung 25 wird entsprechend erregt.
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Durch die Erregung der Wicklung 25 erhält man ein toroidales Induktionsflußfeld.
Eine Kraftlinie hiervon ist durch die Pfeillinien F gezeigt. Es gibt zusätzliche
Induktionsflußlinien in der Induktionsflußschleife. Die Induktionsflußschleife verläuft
wie folgt: Hülse 29, Ring 33, Polzähne 37, Induktortrommel 67 nach Überqueren des
Spalts 68, Polzähne 41, wiederum nach Überqueren des Spalts 68 in der umgekehrten
Richtung, Ring 43, Spalt 47, Ring 23, Spalt 45 zurück zur Hülse 29. Diese Reihenfolge
kann umgedreht werden. je nachdem in welcher Richtung der Erregerstrom durch die
Windungen der Wicklung 25 fließt.
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Durch den hierdurch entstehenden relativen, konzentrierten Induktionsflüß
von den Polzähnen 37 und 41 werden Wirbelströme in der Trommel 67 erzeugt. Die Wirbelströme
erzeugen wiederum ein Induktionsflußfeld, welches in Reaktion mit den konzentrierten
Induktionsfeldern der Polzähne tritt, so daß man einen Schlupfkupplungseffekt zwischen
der Antriebswelle und der angetriebenen Welle 13, 17 erhält. Die Größe des Drehschlupfes
ist eine umgekehrte Funktion der Erregung der Wicklung 25. Durch die Geschwindigkeit
der angetriebenen Welle 13 wird die Ausgangsleistung des Generators 85, 87 gesteuert.
Hierdurch wird der Erregerkreis für die Wicklung 25 beeinflußt. Somit kann man eine
konstante Geschwindigkeit für die angetriebene Welle 13 erhalten, welche niedriger
ist als die Geschwindigkeit der Antriebswelle 17.
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Da, wie dargelegt, durch die Induktionsfelder von den Polzähnen 37
und 41 "in der Induktortrommel 67 Wirbelströme erzeugt werden, ist dafür zu sorgen,
daß die hierdurch erwärmte Trommel abgekühlt wird, was durch das Kühlmittel geschieht.
In
der Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Es sind diejenigen
Teile, welche den bereits beschriebenen gleichen Aufbau und eine gleiche Funktion
haben wie diese, mit Bezugszeichen versehen, die um 100 Einheiten höher sind als
die Bezugszeichen der betreffenden Teile in der Fig. 1. Eine nochmalige Beschreibung
dieser Teile wird nicht für erforderlich gehalten. Die zusätzliche Beschreibung
in Verbindung mit der Fig. 4 befaßt sich nur mit den wichtigen Unterschieden. Es
ist in der Fig. 4 an dem stationären Ring 119 durch Schrauben 121 ein magnetisierbarer
Ringteil A befestigt, der zur Lagerung einer ringförmigen Induktionsfeldwicklung
B dient. Ein zweiter magnetisierbarer Ringteil C wird an dem Ring A durch Stifte
E festgehalten. Der Ring C dient zur Lagerung einer ringförmigen Induktionsfeldwicklung
G. Der Induktionsfeldaufbau A, B, C, G ist stationär.
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Im Falle der Fig. 4 trägt die Nabe 128 ein magnetisierbares Stück
H, welches innen als eine Hülse I mit einer zylinderförmigen Außenoberfläche in
Richtung der zylinderförmigen Innenoberfläche des Ringes C ausgebildet ist, wobei
zwischen den beiden Teilen ein Luftspalt J gleich dem Spalt 45 in der Fig. 1 vorhanden
ist. Das Stück H erstreckt sich radial an der Wicklung G und hat an seinem Außenumfang
axial gerichtete, im Abstand voneinander stehende Polzähne K. Eine magnetisierbare
Zwischenhülse M hat ebenfalls im Abstand voneinander stehende Polzähne L. Die Polzähne
K und die Polzähne L greifen fingerförmig ineinander. Die Hülse M hat außerdem axial
gerichtete, im Abstand voneinander stehende Polzähne N, welche mit den axial gerichteten,
im Abstand voneinander stehenden Zähnen O fingerförmig ineinandergreifen, die sich
von einem kontinuierlichen, magnetisierbaren Ring P erstrecken. Ein an dem Stück
H und der Hülse M angeschweißter, nicht magnetisierbarer Ring Q hält die beiden
Teile H und M zwischen ihren Polzähnen L und K, die ineinandergreifen, zusammen.
Zu gleicher Zeit sind aber hierdurch die beiden Teile H und M mit den Polzähnen
L und K magnetisch getrennt. Ebenso hält ein nicht magnetisierbarer,
an der Hülse M und dem Ring P angeschweißter Ring R die beiden Teile M und P zwischen
ihren Polzähnen N und 0, welche fingerförmig ineinandergreifen, zusammen, wobei
sie aber magnetisch getrennt sind. Ein zylinderförmiger Spalt S, welcher sich am
Umfang der Polzähne erstreckt, befindet sich zwischen der Trommel 167 und den Außenseiten
der Polzähne K, L, N, 0, welche auf der Außenseite zylinderförmig für diesen
Zweck bearbeitet sind. Der Spalt S ist das Gegenstück zum Spalt 68 in der Fig. 1.
Ein Spalt T befindet sich zwischen der Innenseite der Innenhülse M und der Außenseite
des Rings C. Ein Spalt U befindet sich zwischen der Innenseite des Rings P und der
Außenseite des Rings A. Die Spalte T und U entsprechen dem
Spalt 47 in der Fig. 1.
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Es sei angenommen, die Wicklungen B und G sind in einem Stromkreis
so geschaltet, daß die Stromrichtungen in den beiden Wicklungen entgegengesetzt
sind. Toroidale, magnetische Schleifen gemäß den Pfeillinien V und W umgeben die
Wicklungen G bzw. B. Die Schleife V geht durch das Stück H, die Polzähne K, die
Trommel 167, nach Überquerung des Spalts S in umgekehrter Richtung den Ring M und
den Ring C nach Überquerung des Spalts T, zurück zum Stück H über den Spalt
J. Die Schleife W verläuft vom Ring A zum Ring P und den Spalt U, den Polzähnen
O zur Trommel 167 über den Spalt S, dann zu den Zähnen N, nach nochmaliger Überquerung
des Spalts S zur Zwischenhülse M, dem Ring C über den Spalt T zurück zum Ring A.
Die Fig. 4 zeigt, daß der Querschnitt des magnetischen Wegs zwischen den Wicklungen
B und G größer gemacht ist als die Wege. die sich auf den Außenseiten der Wicklungen
erstrecken. Der Grund hierfür ist, die Summe der Induktionsflüsse aus den Wicklungen
in diesem Zwischenbereich unterbringen zu können. Die Arbeitsweise der Ausführung
nach Fig. 4 entspricht der bereits beschriebenen Arbeitsweise der Ausführung nach
Fig. 1. Ein Unterschied ist, daß es vier Ringe von Antriebsinduktionsflußkonzentrationen
gibt, welche rund um die Innenseite der Trommel 167 verlaufen, während es
in der Fig. 1 nur zwei Ringe von Antriebsinduktionsflußkonzentrationen gibt, die
rund um die Innenseite der Trommel 67 wandern. Es wird also in der Fig. 4 die Drehmomentübertragungskapazität
erhöht. Es gibt kein Bremsdrehmoment quer zu irgend welchen der Spalte 45, 47 (Fig.
1) oder J, T, U (Fig. 4), weil es keine wandernden Induktionsflußkonzentrationen
in diesen Spalten gibt. Keiner der genannten Spalte wird aus diesem Grunde übermäßig
erwärmt.
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Ein Vorteil der Erfindung in bezug auf die stationären Wicklungen
B, G und 25 ist, daß eine bündigere Anordnung zur Führung des Kühlmittels für eine
bestimmte Kapazität erreicht wird, weil mindestens ein Paar der kein Drehmoment
übertragenden Spalte (z. B. 45 und 47 in Fig. 1; J und T in Fig. 2) seine Kühlteile
in einer gemeinsamen Ebene auf der einen Seite der betreffenden Wicklung hat, die
gekühlt werden soll (Wicklung 25 in Fig. 1 und Wicklung G in Fig. 4). Mit anderen
Worten, die genannten Spaltpaare befinden sich in radialer Ausrichtung. Dadurch
wird auch das Auftreten eines Streuflusses, der sonst die Wellen 13 und 17 erreichen
könnte, vermieden. Für diese günstige Anordnung sorgt der C-förmige, radiale Schnitt
des Induktionsfeldaufbaus 31 rund um die Wicklung 25 in der Fig. 1 bzw. der L-förmige,
radiale Schnitt des Aufbaus X in der Fig. 4. Der L-förmige, radiale Schnitt des
Induktionsfeldaufbaus X wird durch die Stücke H, M, P zusammen mit den Polzähnen
K, L, M, 0 gebildet.
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Zu der Verwendung eines flüssigen Kühlmittels ist folgendes zu sagen.
Durch ein flüssiges Kühlmittel wird die Wärme mit einer größeren Geschwindigkeit
abgeführt als durch eine Luftkühlung bei gleicher Maschinengröße. In diesem Zusammenhang
sei bemerkt, daß die im Abstand voneinander stehenden Polzähne 37 und 41 als Schaufeln
für das Ausspritzen der Flüssigkeit dienen, wodurch die gleichmäßige Verteilung
des Kühlmittelfilms auf der Innenoberfläche der Außeninduktortrommel unterstützt
wird.
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Durch den nicht magnetischen Charakter der Ringe 19 und 119 wird ein
magnetisches Anziehen der Ringe 29 und 43 bzw. P vermieden, so daß die Lager 11
bzw. 111 keinen Druck hierdurch aufzunehmen brauchen.