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Induktionskupplung oder -bremse Die Erfindung betrifft eine im wesentlichen
nach dem Induktionsprinzip arbeitende Kupplung oder Bremse, mit einer durch die
kombinierte Induktionswirkung von massivem Eisen und Kurzschlußstäben zusammengesetzten
Schlupf-Drehmoment-Kennlinie, deren Luftspalte axial zwischen treibendem und angetriebenem
Teil angeordnet sind.
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Es sind bereits Kupplungen oder Bremsen mit quer zur Drehachse liegendem
Luftspalt in vielfältigen Ausführungen, teils als reine Wirbelstrom-, teils auch
als Induktionskupplungen oder -bremsen bekanntgeworden, bei denen Permanentmagnete
oder einspulige oder mehrspulige gleichstromerregte Polsysteme den funktionsbedingten
Kraftlinienfluß erzeugen.
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Je nach dem Verwendungszweck und der gewünschten Charakteristik sind
Wirbelstromkupplungen und -bremsen für nahezu linearen Schlupf-Drehmoment-Verlauf
entwickelt worden. Auf Grund ihrer Funktionsweise eignen sie sich besonders gut
für Anlauf- und Bremsaufgaben.
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Induktionskupplungen mit gleichstromerregten Polsystemen und Kurzschlußkäfigläufern
hingegen weisen einen Drehmomentverlauf ähnlich einem Asynchronmotor auf, mit einem
starken Drehmomentanstieg im Bereich des Nennschlupfes. Bei überschreitung des Kippmomentes
fällt jedoch das Drehmoment bis zum Schlupf s = 1 stark ab. Es sind deshalb bereits
Lösungen geschaffen worden, das hohe Kippmoment der asynchronen Maschine im Bereich
der Nenndrehzahl bzw. des Nennschlupfes zu erhalten und das hohe Anlaufdrehmoment
der Wirbelstromeharakteristik hinzuzufügen.
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In bekannten Ausführungen werden C-förmige Gleichstrom-Erregersysteme
verwendet, in die als ein- oder mehrscheibige Ausführung kreisringförmige Eisenringe
als Abtriebsteile eintauchen und über eine Glocke das Drehmoment auf das anzutreibende
Organ übertragen. Die während des Schlupfes in den Eisenringen entstehenden Wirbelströme
werden in ihrer Wirkung von zusätzlichen Platten aus elektrisch gut leitendem Material
unterstützt. Diese Platten stellen bei den bekannten Anordnungen jedoch einen hohen
Widerstand für den Kraftfluß dar, da sie den Luftspalt zwischen dem Erregersystem
als Antriebsteil und den Eisenringen als Abtriebsteil erheblich vergrößern.
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Eine weitere Bauart mit einer Kombination der Wirbel- und Induktionsstrombildung
ist in einer homopolaren elektromagnetischen Kupplung mit feststehendem Erregerspulensystem
bekanntgeworden. Auch in dieser Lösung stehen sich Polzähne gegenüber, die den Kraftfiuß
vom Primär- zum Sekundärteil dieser Synchronkupplung führen. Zur Konzentration des
Kraftflusses in den Zähnen sind diese mit einem elektrisch gut leitenden Material
umgeben. Da das Spulensystem feststeht, muß zwischen diesem und den Läufern ein
weiterer Luftspalt in Kauf genommen werden, wodurch sich im gesamten Magnetkreis
insgesamt drei Luftspalte ergeben; die sich auf die Kraftliniendichte im Bereich
der Polzähne mindernd auswirken.
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In einer anderen Ausführungsart von Induktionskupplungen sind ausgeprägte
Erregerpole verwendet worden, wobei sich zwei miteinander verbundene Polreihen gegenüberstehen
und die Induktionswirkung in einem massiven, mit einem Kurzschlußkäfig ausgerüsteten
scheibenartigen.Läufer hervorrufen.
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Schließlich ist noch eine weitere derartige Kombination bei Kupplungen
mit parallel zur Achse liegendem Luftspalt bekanntgeworden, bei dem sowohl lamellierte
mit einem Kurzschlußk'äfig versehene als auch massive Eisenteile im Induktor vorhanden
sind. Der Kraftlinieniluß wird hierbei ebenfalls von einem sehr aufwendigen Schenkelpolsystem
erzeugt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Beseitigung der den bekannten
Ausführungen anhaftenden Mängel eine Kupplung bzw. Bremse zu schaffen, die bei geringem
Aufwand ein hohes Drehmoment erzeugt und eine mit zunehmendem Schlupf steigende
Drehmoment-Kennlinie aufweist.
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Hierzu geht die neue Lösung von der bekannten überlagerung des Wirbelstrom-
und Induktionseffektes sowie der Anwendung eines zentral angeordneten U-förmigen
Erregersystems aus, in dem erfindungsgemäß ein scheibenartiger Läufer aus einer
Vielzahl einzelner Segmente aus magnetisch gut leitendem Material gebildet wird,
die, in gleichen umfangsmäßigen Abständen zueinander angeordnet,
einen
Ring ergeben, der in axialer Richtung von den beiden gleich großen Luftspalten begrenzt
wird und in radialer Richtung der Höhe der Polzähne entspricht, während die umfangsmäßigen
Abstände der Segmente durch querschnittsgleiche Stäbe bzw. Platten aus elektrisch
gut leitendem Material ausgefüllt sind, die außerhalb des magnetischen Weges mit
je einem innen und außen an den Segmenten fest anliegenden Ring aus ebenfalls elektrisch
gut leitendem Material derart verbunden sind, daß ein Kurzschlußkäfig entsteht,
bei dem die Anzahl der Segmente grundsätzlich von der Anzahl der Magnetpolpaare
abweicht und daß die den Läufer tragende Glocke an einer Nabe befestigt ist, auf
der das Magnetsystem über Wälzlager gelagert ist.
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Zur Erzielung bestimmter Charakteristiken kann das im Scheibenläufer
enthaltene magnetische Material massiv oder lamelliert sein.
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Entsprechend dem gewünschten Drehmomentverlauf können das Läufereisen
sowie der Kurzschlußkäfig qualitativ und quantitativ unterschiedlich bemessen werden.
Bei entsprechendem Verhältnis läßt sich ein Drehmomentverlauf erzielen, der bei
eintretendem Schlupf steil ansteigt und dann fast konstant bleibt, bis der Schlupf
= 1, d. h. Stillstand eines Kupplungsteiles erreicht ist. Damit sind die Möglichkeiten
für die Benutzung der Kupplung als Drehzahlregelorgan gegeben.
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Speziell für diesen Verwendungszweck ist die Scheibenbauart, d. h.
die Anordnung des Luftspaltes in Richtung der Kupplungsachse, besonders günstig,
da die während der Drehzahlregelung auftretende Verlustwärme gut abgeführt werden
kann. Hierzu ist der Rotorträger mit Luftdurchtrittsöffnungen und einem als Ventilator
wirkenden Schaufelkranz versehen. Dank der Wirkung der beiden Polzahnkränze ist
auch während des Regelbetriebes, bei dem beispielsweise der Rotor mit geringerer
Umdrehungszahl umläuft als das mit konstanter Drehzahl umlaufende Magnetsystem,
eine gute Kühlung gesichert.
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Den Unteransprüchen kommt nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch
Bedeutung zu.
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In der F i g. 1, die die Kupplung teilweise im Schnitt zeigt, stellt
1 die Nahe mit einem angegossenen Kranz dar, welcher mit Polzähnen 9 versehen ist.
Auf der Nabe 1 befindet sich der Spulenkörper 3, der die Magnetwicklung 2 trägt.
Mit der Nabe ist der mit 1' bezeichnete 2. Kranz fest verbunden, so daß ein U-förmiges
Polsystem entsteht. Der Schleifringkörper 5 sitzt auf der Welle 7 des Antriebsorgans
; und bildet über die elastische Scheibe 4 den Kraftschluß zur Nabe. Er ist mittels
Keil 8 gegen Verdrehung gesichert. Die Magnetspule 2 ist mit den Schleifringen 6
elektrisch verbunden. Auf der Welle 16 sitzt, mittels Keil 17 gegen Verdrehung gesichert,
der Rotorträger 12, an dem der eigentliche Rotor 10 angebracht ist. Der Rotor greift
radial zwischen die Polzähne 9, 9' und bildet beidseitig gleiche Luftspalte von
etwa 1 bis 4 mm. Das Rotoreisen wird durchsetzt von einem Käfigsystem, dessen Stäbe
19 (F i g. 2) aus elektrisch gut leitendem Flachmaterial die gesamte Länge des Rotors
durchsetzen und durch die Kurzschlußringe 20 verbunden sind. Zur Erzielung einer
den Rotor kühlenden Luftströmung ist auf dem dem Rotorträger abgekehrten Polkranz
eine Abdeckung 21 vorgesehen in der Art, daß ein Luftaustrittspalt unter den Ventilatorschaufeln
22 entsteht. Während der Rotation sowohl des angetriebenen Teiles als auch beider
Kupplungsteile ergeben sich damit Kühlluftströmungen, die in der durch den Pfeil
angegebenen Weise die Kupplung durchströmen. Zu diesem Zweck sind im Rotorträger
Durchbrüche 13 und 15 vorgesehen. Der Rotorträger 12 verfügt weiterhin über Verstärkungsrippen,
die außerdem für eine Vergrößerung der Abkühlfläche sorgen. Die Wälzlager 18 stützen
beide Kupplungsteile gegeneinander ab.
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In F i g. 2 und 3 sind die Anordnungen der Rotorstäbe veranschaulicht.
Durch Auswahl eines Flachmaterials, welches sich über die gesamte Rotorlänge erstreckt,
werden mit Hilfe der Kurzschlußringe Schleifen von erheblicher Länge in der Art
eines Hochstabläufers von Asynchronmotoren gebildet.
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F i g. 4 stellt verschiedene, zur Erzielung bestimmter Charakteristiken
geeignete Polformen dar.
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F i g. 5 läßt die Zunahme des Drehmoments mit steigender Relativdrehzahl
beider Kupplungsteile für verschiedene Kupplungen erkennen. Kurve a zeigt die Kennlinie
einer reinen Wirbelstromkupplung, während Kurve b den Kennlinienverlauf der typischen
Induktionskupplung mit hohem Kippmoment, ähnlich der des Asynchronmotors, darstellt.
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F i g. 6 charakterisiert den Drehmomentverlauf einer sogenannten Synchronkupplung.
Hieraus ist klar ersichtlich, daß das größte übertragbare Moment bei Gleichlauf
beider Kupplungsteile vorhanden ist. Dabei ist es allerdings erforderlich, daß die
Anzahl der massiven Segmente der Anzahl der Polzähne je Polplatte entspricht. Der
Läufer läuft asynchron an und fällt schließlich in die synchrone Drehzahl.
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F i g. 7 zeigt die Drehmomentkennlinie der erfindungsgemäßen Kupplung.
In ihr sind die Wirbelstrom- und die Asynchron-Drehmomentkennlinie überlagert und
ergeben also einen steilen Anstieg und einen annähernd gleichbleibenden Wert bei
zunehmender Relativdrehzahl beider Kupplungsteile.
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Der besondere Vorteil der Erfindung liegt in dem hohen Drehmoment
bei maximaler Relativdrehzahl, welches auch bei Verkleinerung des Schlupfes fast
konstant bleibt. Erst bei sehr kleinem Schlupf fällt das Drehmoment stark ab. Diese
Erscheinung befähigt die Kupplung, Drehzahlregelungen über einen weiteren Bereich
zu ermöglichen. Das schon bei Maximalschlupf vorhandene große Drehmoment verleiht
der Kupplung eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit, die besonders bei schnellen Umsteuerungen
von großer Bedeutung sein kann.
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Die relativ hohe Leistung der Kupplung bzw. Bremse bei geringem Materialaufwand
liegt in der erst durch die erfindungsgemäße Anordnung des aktiven Läufereisens
in Segmentform mit eingelegtem Kurzschlußkäfig möglich gewordenen Bemessung des
magnetischen Luftspaltes begründet.