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Mit einem Elektromotor zusammengebaute elektromagnetische Kupplung
Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einem Elektromotor zusammengebaute elektromagnetische
Kupplung mit einer auf einer magnetisierbaren Nabe gelagerten stationären Erregerwicklung
sowie mit einer Induktionstrommel, die den gesamten Aufbau der Kupplung mit koaxial
zu ihr und zum Motor angeordnetem besonderem Erregergenerator mindestens teilweise
umgibt.
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Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Luftzirkulation des Aggregats zu erzielen und dadurch den Wirkungsgrad desselben
zu verbessern.
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Es ist bekannt, elektromagnetische Kupplungen mit einer auf einer
magnetisierbaren Nabe gelagerten stationären Erregerwicklung auszuzbilden. Die Zähne
derartiger Kupplungen sind jedoch nur an den Enden der Spulen angeordnet. Hierdurch
entsteht eine sehr rohe Konstruktion, die allein durch die stationär angeordnete
Erregerwicklung keine befriedigende Lösung zu erzielen vermag, zumal hierbei die
Kühlung unzureichend ist sowie der Luftwiderstand und die Reibung relativ hoch sind,
wobei zugleich keine Vorkehrungen getroffen sind, um die Schlüpfung herabzusetzen.
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Ferner ist eine mit einem Elektromotor zusammengebaute elektromagnetische
Kupplung bekannt, bei der die an ihren Enden in den Gehäuseabsschlußglocken gelagerte
Antriebswelle unter Wahrung eines zylindrischen Spaltes von einer den Rotor des
Elektromotors tragenden drehbaren Hülse umgeben ist. Der Rotor trägt jedoch eine
Gleichstromfeldwicklung, die mit Schleifringen verbunden ist, über welche zur Erregung
der Wicklung der Strom. zugeführt wird.
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Weiterhin ist es vorgeschlagen worden, eine mit einem Elektromotor
zusammengebaute elektromagnetische Kupplung mit Polzähnen der Getriebezahnform auszurüsten,
so daß derartige Zähne weder fingerförmig ineinandergreifen, noch die Feldspule
überdecken.
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Es ist ferner bekannt, eine mit einem Elektromotor zusammengebaute
elektromagnetische Kupplung vorzusehen, deren Zähne zwar fingerförmig ineinandergreifen,
bei der jedoch, ebenso wie bei einer weiterhin bekannten Wirbelstromkupplung mit
einem Generator, keine stationäre Erregerwicklung vorgesehen ist, so daß hierbei
Schleifringe unerläßlich sind.
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Die Anordnung von beweglichen Erregerspulen ist nachteilig, da sie
Schleifringe für die Stromzuführung, ferner Bürsten und Kollektoren erforderlich
macht. Sowohl bei derartigen Konstruktionen als auch bei den bekannten Bauarten
mit stationären Erregerwicklungen wird darüber hinaus keine hinreichende Kühlung
erreicht, wobei auch verschiedene andere Erfordernisse der Praxis keine ausreichende
Berücksichtigung finden. Demgegenüber zeichnet sich die Erfindung durch die Kombination
folgender Merkmale aus: a) Die an ihren Enden in den Gehäuseabschlußglocken mit
Lufteinlaßöffnungen gelagerte Abtriebswelle ist unter Wahrung eines zylindrischen
Spaltes von einer den Rotor des Elektromotors tragenden drehbaren Hülse mit auf
den gegenüberliegenden Seiten des Rotors befindlichen Lufteinlaß- und -auslaßöffnungen
umgeben.
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b) Zwischen dem Elektromotor und der Abschlußglocke im den Motorstator
umgebenden Gehäuseabschnitt ist eine Scheidewand mit einer in ihrer Mitte befindlichen
Düse vorgesehen, welche die Luft nach innen in Richtung zu den Einlaßöffnungen in
der Hülse und in Richtung zum Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator des Elektromotors
lenkt.
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c) Der Erregergenerator, dessen Stator durch eine innerhalb der Abschlußglocke
am entgegengesetzten Ende des Aggregats befindliche Hülse getragen wird, wird von
der durch diese Abschlußglocke hindurchströmende Luft durchquert.
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Dadurch wird eine das intensive Kühlen der Kupplungsteile, des Motors,
des Erregergenerators und der Lager ermöglichende, gegenüber dem Bekannten erheblich
verbesserte Luftzirkulation erreicht, die wesentlich dazu beiträgt, daß trotz des
äußerst kompakten Aufbaues mit vorteilhaften stationären Erregerspulen eine besonders
betriebssichere elektromagnetische Kupplung von langer Lebensdauer und geringen
Instandhaltungskosten entsteht. Bei der Bauart nach der Erfindung wird außerdem
eine geringe Schlüpfung zwischen den Rotoren erreicht, während zugleich der Luftwiderstand
und die Reibung weitgehend herabgesetzt werden. Auf diese Weise wird
eine
Bauart geschaffen, die den vielseitigen Erfordernissen der Praxis Rechnung trägt
und einen hohen Wirkungsgrad erreichen läßt.
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Weitere Vorkehrungen nach der Erfindung, Einzelheiten und Vorteile
derselben sind an Hand der Zeichnungen erläutert; es zeigt Fig. 1 einen axialen
Schnitt der Kupplung, Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3
einen Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 1, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 der
Fig. 1 und Fig. 5 einen abgewickelten Schnitt nach Linie 5-5 der Fig. 1.
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Bei M ist ein Motorabschnitt und bei C ein Kupplungsantriebsabschnitt
gezeigt. Das Gehäuse 1 hat eine Mittelhülse 3. Im linken Teil der Hülse ist eine
Gruppe von Rippen 5 angeordnet. An den Enden der Hülse 3 sind Kragen 7 angeschweißt,
welche zur Aufnahme von Halteschrauben 9 mit Schraubwindungen versehene Bohrungen
haben. Am linken Ende der Maschine dient eine Gruppe von Schrauben zum Halten einer
Abschlußglocke 11. Am rechten Ende der Maschine dient eine andere Gruppe von Schrauben
zum Halten einer Abschlußglocke 13. Die Abschlußglocke 11 dient zum Festhalten des
Randflansches 15 einer Scheidewand 17, die in der Mitte einen Düsenteil 19 aufweist.
Die Abschlußglocke 13 dient zum Festhalten des Randflansches 21 eines Speichensterns
23, dessen Speichen Öffnungen 25 bilden. Die Speichen sind mit einer magnetisierbaren
Mittelhülse 27, z. B. aus Eisen, verbunden. Diese Hülse oder Nabe hat eine mit einer
Schulter versehene Ausnehmung 29 zur Lagerung einer ringförmig gewickelten Induktionsfeldwicklung
31.
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Die Abschlußglocken 11 und 13 haben Mittelhülsen 33 und 35 zur Lagerung
der Lager 37 und 39. Sie dienen zur Lagerung einer angetriebenen Welle 41. Auf ihr
befinden sich die Lager 43 und 45 zur Lagerung einer sie umgebenden Hülse 47. Die
Hülse 47 dient zur Lagerung des Rotors 49 eines Motors, dessen Stator 51 auf den
Rippen 5 innerhalb der Hülse 3 gehalten wird. Die Scheidewand 17 ist umfangsmäßig
so geformt, daß sie im Abstand von den Wicklungen 53 des Stators steht. Der Rotor
hat Kühlrippen 55 auf der rechten Seite des Stators 51. Die Hülse 3 trägt bei den
Kühlrippen 55 eine ringförmige Scheidewand 57. Die Hülse 47 hat Lufteinlaßöffnungen
59 auf der linken Seite der Motorteile 49 und 51. Auf der rechten Seite der Hülse
47 befinden sich die Luftauslaßöffnungen 61 ungefähr in der Ebene der Scheidewand
57. Durch die Düse 19 wird die Luft in Richtung zum Rotor 49 und den Einlaßöffnungen
59 gelenkt. Untere Einlaßöffnungen 63 befinden sich in der Hülse 3 am Stator 51.
Eine Einlaßöffnung 65 befindet sich am Boden der Abschlußglocke 11.
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Das rechte Ende der Hülse 47 hat Speichen 67, dazwischen befinden
sich die Öffnungen 69. Die Speichen 67 dienen zum Halten eines Radkranzes 71, der
Ventilatorflügel 73 aufweist. Auf dem Radkranz 71 ist eine magnetisierbare Induktortrommel
75, z. B. aus Eisen, aufgepreßt, welche auf der Außenseite mit Rippen 77 und außerdem
mit axialen Kühlrippen 79 versehen ist. Die Innenoberfläche der Trommel ist ununterbrochen
zylindrisch. Sie steht im Abstand von der Außenseite der Erregerwicklung 31.
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Bei 81 ist auf der Welle ein magnetisierbarer Nabenteil 83, z. B.
aus Eisen, für das Induktionsfeldstück 85 aufgekeilt. Die Innenseite der Hülse 27
und die Außenseite der Nabe 83 sind ununterbrochen zylindrisch und bilden somit
einen glatten Spalt 87 auf der rechten Seite der Wicklung. Die Nabe 83 ist zu einem
Ring 89 ausgebildet, von welchem sich Pole darstellende magnetisierbare Zähne 91
erstrecken. Sie erstrecken sich axial zwischen der Induktortrommel 75 auf der einen
Seite und der Erregerwicklung 31 auf der anderen Seite. An der Verbindungsstelle
zwischen den Zähnen 91 und dem Ring 89 sind Rippen 93 vorhanden. Gemäß Fig. 5 greifen
die Zähne 91 fingerförmig zwischen Pole bildende Zähne 95. Die magnetisierbaren
Zähne 95 erstrecken sich axial zwischen der Trommel 75 auf der einen Seite und der
Erregerwicklung 31 und der Hülse 27 auf der anderen Seite. Die Zähne 95 ragen von
einem magnetisierbaren Ring 97 vor, welcher die Hülse 27 umgibt. Eine Anzahl von
nicht magnetisierbaren Schrauben 99 dienen zum Halten des Ringes 97 zusammen mit
dem Ring 95 und auch zum Festhalten eines nicht magnetisierbaren Ringes 101 zwischen
den Stellen 100 unterhalb der Zähne 91 und 95. Die Außenoberflächen der Zähne 91
und 95 sind zylinderförmig bearbeitet, um außen einen Spalt 103 zu erhalten.
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Die Außenoberflächen der Hülse 27 und der Innenoberfläche des Rings
97 sind ununterbrochen zylinderförmig, wodurch ein glatter Zwischenspalt 105 entsteht.
Der Spalt 105 befindet sich außerhalb des glatten Spalts 87 und in der Ebene hiervon
rechts von der Wicklung 31. Wird die Wicklung über eine Leitung 107 erregt, so umgibt
ein toroidales magnetisches Feld die Wicklung 31. Ein Axialschnitt hiervon ist durch
die gestrichelte Schleifenlinie F gezeigt. Die Schleife F verbindet die Hülse 27,
den Spalt 87, die Nabe 83, den Ring 89, die Zähne 91, den Spalt 103, die Induktortrommel
75 zurück zum Spalt 103, die Zähne 95 zurück zum Ring 97 durch den Spalt 105 miteinander.
Die Zähne 91 und 95 polarisieren das toroidale Feld, von welchem die Schleife F
ein Teil ist, so daß magnetische Flußkonzentrationen die Trommel 75 am Spalt 103
streifen, während keine magnetischen Flußkonzentrationen die Spalte 87 und 105 streifen,
da sie zylinderförmig ununterbrochen und glatt sind.
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Die Hülse 35 der Abschlußglocke 13 trägt an ihrem Ende den Stator
109 eines Wechselstromgenerators, dessen permanente Pole 111 auf der Welle 41 befestigt
sind. Befestigungsschrauben hierfür sind bei 110 gezeigt. Ein Teil der Ausgangskreise
des Generators ist durch die Drähte 113 angegeben. Die Drähte 107 und 113 können
durch die untere Lufteinlaßöffnung 115 in der Abschlußglocke 13 herausgeführt werden.
In der Hülse 3 an den Rippen 77 befinden sich Luftausgangsöffnungen 117. Die Außenbahn
2 des Lagers 39 wird in der Hülse 35 durch den Stator 109 festgehalten. Der Stator
ist an einer Schulter 4 angeordnet.
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Die Arbeitsweise ist wie folgt: Es sei angenommen, die Welle 41 ist
rechts mit einer entsprechenden Last (nicht dargestellt) verbunden. Die Wicklungen
53 des Stators 51 des Motors erhalten Strom. Der Rotor 49 des Motors dreht sich,
infolgedessen auch die Hülse 47 und die Induktortrommel 75. Bei Erregung der Wicklung
31 umgibt ein toroidales Magnetfeld die Wicklung. Eine Schleife hiervon ist bei
F gezeigt. Die Stärke des Magnetfeldes und infolgedessen auch die polaren Konzentrationen
durch den Spalt 103 hindurch nehmen entsprechend der Stärke der Amperewindungen
der Erregung zu. Da es eine Verschiebung zwischen der Trommel 75 und den Polen 91,
95 gibt, streichen Konzentrationen des Induktionsfeldes durch die Induktortrommel75.
Sie erzeugen Wirbelströme. Die Wirbelströme erzeugen wiederum Induktionsflußfelder,
welche auf das Induktionsfeld von den
Polen einwirken. Das Resultat
ist eine rotierende Beschleunigung des Aufbaues 83, 89, 91, 95, 97 und der Welle
41 mit ihrer Last. Zu gleicher Zeit erzeugt der Generator 109, 111 einen Ausgangsstrom
über den Stromkreis 113, dessen Wert der Geschwindigkeit entspricht. Die Stromkreise
107, 113 sind miteinander durch einen Steuerkreis verbunden, der nicht dargestellt
ist, da er nicht zur Erfindung gehört. Bei bestimmten Lastbedingungen und entsprechenden
Geschwindigkeiten zwischen der Welle 41 und der Hülse 47 erhält man stetige Bedingungen,
auf Grund welcher ein stetiger Antrieb auftritt bei einem gewissen rotierenden Schlupf
zwischen den antreibenden und angetriebenen Teilen.
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Die verbesserte Anordnung sieht eine sehr wirksame Kühlung wie folgt
vor: Die Ventilatorflügel 73 und die Rippen 77 treiben die Luft durch Zentrifugalkraft
durch die Öffnungen 117 hindurch nach außen. Es entsteht ein Luftstrom durch die
Einlaßöffnungen 63, 65 und 115. Die durch die Einlaßöffnung 65 gelangende Luft wird
durch die Düse 19 auf die Öffnungen 59 und den Spalt zwischen dem Motorrotor 49
und dem Motorstator 51 gerichtet. Die Luft kühlt beim Passieren der Düse 19 die
Lager 37 und 43. Etwas Luft, welche in die Öffnungen 59 gelangt, geht durch die
Hülse 47 hindurch,um bei den Öffnungen 61 zu entweichen. Dadurch werden der Rotor
49 und das Lager 45 gekühlt. Ein Teil der Luft, welche nicht durch die Hülse hindurchgeht,
kann auch um den Stator 51 herum zwischen den Rippen 5 strömen. Zusätzliche Luftmengen
werden durch die Einlaßöffnungen 63 rund um den Stator gefördert. Die Kühlrippen
55 strahlen Wärme vom Rotor in den Luftstrom. Ein Teil des Luftstroms gelangt durch
die Mittelöffnung der Scheidewand 57. Die beschriebene Luftströmung ist durch kurvenförmige
Pfeile angedeutet.
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Ein anderer Luftstrom betritt die Öffnung 115 in der Abschlußglocke
13. Er strömt rund um das Lager 39 und den Generator 109, 111. Etwas Luft gelangt
durch den Spalt des Generators. Ein Teil der Luftströmung findet ihren Weg durch
den Spalt 87, dann zwischen den Zähnen 91, 95 und durch die Öffnungen 69 zu den
Ventilatorflügeln 73. Ein anderer Teil der Luftströmung gelangt durch die Öffnungen
25 rund um die Induktortrommel 75. Die Kühlrippen 79 strahlen Wärme von der Induktortrommel
in den Luftstrom. Dies machen auch die Rippen 77, die also ebenfalls als Ventilatorflügel
arbeiten. Etwas Luft, welche durch die Öffnungen 25 gelangt, strömt auch durch den
Spalt 105 (oberhalb der Wicklung 31). Etwa Luft gelangt auch durch den Spalt 103.
Sie findet auch ihren Weg zu den Öffnungen 69 und wird durch die Ventilatorflügel
73 herausgeschleudert.
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Unter den Vorteilen ist zu erwähnen, daß die feststehende Induktionsfeldwicklung
31 auf der Verlängerung des offenen Radsterns 23, umgeben von dem Induktionsfeldstück
mit dem C-förmigen Halbquerschnitt, gebildet durch die Teile 83, 89, 91, 95 und
97 (Fig. 5), eine sehr leistungsfähige Luftkühlung erhält, wobei außerdem Schleifringe
nicht notwendig sind. Ferner erreicht man durch die Anordnung des Generators 109,
111 und des Lagers 39 auf der Hülse 35 eine wirksame Kühlung dieser Teile durch
den Luftstrom, welcher um die Hülse 35 herumströmt. Die Düse 19 richtet die Luft
am anderen Ende der Maschine zentral dahin, wo sie benötigt wird. Sie gelangt durch
die Hülsenöffnungen 59 und den Motorspalt. Es wird auch Luft rund um den Stator
herumgeführt. Die Maschine ist in mechanischer Hinsicht sehr kompakt. Sie ist elektrisch
sehr leistungsfähig. Man hat eine sehr leistungsfähige Kühlung, trotzdem die Erregerwicklung
stationär ist. Die Erregerwicklung 31 hat nicht nur eine Luftströmung oberhalb ihrer
Außenseite, sondern es strömt auch Luft durch die Wicklung hindurch über den Spalt
87.