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Wirbelstromdynamometer Die Erfindung betrifft ein Wirbelstromdynamometer
mit einem zwecks Messung des Drehmoments schwenkbar gelagerten, eine Mehrzahl von
Polen mit Erregerwicklungen tragenden Gehäuse und einem innerhalb des Umkreises
der Pole angeordneten Wirbelstromrotor aus leitendem Material, dessen an den Enden
des Gehäuses gelagerte Welle mit einer zu prüfenden Kraftmaschine verbunden werden
kann.
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Die bisher gebräuchlichen Dynamometer dieser Art haben eine verhältnismäßig
geringe Anwendungsbreite, d. h., sie sind je nach ihrer Konstruktion nur für bestimmte,
verhältnismäßig kleine Bereiche von Drehzahlen, Drehmomenten und Leistungen verwendbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Wirbelstromdynamometer
zu schaffen, welches eine große Anwendungsbreite hat, für Drehzahlen bis zu 15 000
Umdrehungen pro Minute und mehr verwendbar ist und die Abführung großer Energiemengen
pro Volumeinheit des Dynamometers gestattet. Das Dynamometer soll darüber hinaus
so ausgebildet sein, daß es wirtschaftlich hergestellt werden kann, ohne die Einhaltung
besonders enger Toleranzen zu erfordern, und daß es lange Zeit hindurch ohne Wartung
sowohl in intermittierendem als auch in kontinuierlichem Betrieb benutzt werden
kann.
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Es ist bei Wirbelstromdynamometern bekannt, das Gehäuseinnere mit
einer Kühlflüssigkeit zu füllen, wobei ein geschlosener Kreislauf der Kühlflüssigkeit
über Pumpen und Kühler außerhalb der Maschine vorgesehen ist und die Kühlflüssigkeit
durch Ablenkbleche in bestimmte Bahnen gelenkt wird. Es ist dabei auch bekannt,
die Kühlflüssigkeit dem Innenraum eines ringförmig ausgebildeten Rotors zuzuführen.
An sich sind auch mehrschalige Lager bekannt, die mit axialen Kanälen zum Durchtritt
der Kühl- und Schmierflüssigkeit versehen sind.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Kühl- und Schmierflüssigkeit
durch axiale Kanäle der beiden Lager der Rotorwelle und an den inneren Lagerenden
austretend zunächst durch Ablenkbleche in Richtung auf eine mittlere Nabe des Rotors,
danach an den Innenflächen des Rotors entlang und um die Rotorenden herum zu der
Statorwicklung geleitet wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung bestehen im wesentlichen in der besonderen
Ausbildung der Lager und der Kanäle für die Kühl- und Schmierflüssigkeit sowie in
der Ausbildung der Erregerwicklung.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert.
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F i g. 1 ist ein Längsschnitt eines Wirbelstromdynamometers gemäß
1-1 der F i g. 2; Fig. 2 ist ein Querschnitt nach 2-2 der Fig. 1; F i g. 3 ist eine
vergrößerte perspektivische Ansicht einer der zweiteiligen Lagerbuchsen für die
Rotorwelle.
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Das in F i g. 1 bis 3 dargestellte Dynamometer hat ein Gehäuse 10
aus Eisen oder einem ähnlichen magnetischen Material mit den Deckeln 11 und 12.
Die letzteren haben zylindrische Ansätzella und 12 a, die unter Zwischenschaltung
von Kugellagern 15 und 16 gegenüber den feststehenden Teilen 13 und 14 schwenkbar
gelagert sind. Das auf das Gehäuse ausgeübte Drehmoment wird mit Hilfe eines Armes
17 (Fig. 2), der mit dem Gehäuse durch Schweißung od. dgl. verbunden ist, auf eine
geeignete Meßvorrichtung übertragen.
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Mit dem Gehäuse verbunden ist eine Mehrzahl von länglichen Polen
20 aus magnetischem Material, deren Enden mit den Bezugszeichen 21 und 22 bezeichnet
sind und die eine nach innen gerichtete Polfläche 23 haben. Neben den Enden 21 und
22 der Pole sind ringförmige Zwischenräume 25 und 26 angeordnet; die Polflächen
23 umgeben einen zylindrischen Rotorraum. Die Pole 20 sind mit dem Gehäuse durch
die Schrauben 27 verbunden.
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Jeder der Pole 20 trägt eine Erregerwicklung 28 in Form eines im
Querschnitt rechteckigen Leiters, der vorzugsweise aus blankem Metall besteht und
von den Polen durch eine Isolationsschicht 29 isoliert ist.
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Die Erregerwicklungen sind im Abstand voneinander angeordnet, wobei
die Zwischenräume zwischen ihnen durch eine Kühl- und Schmierflüssigkeit umspült
werden. Die Wicklungen 28, die in Reihe geschaltet sein können, sind derart angeordnet,
daß in den Polschuhen abwechselnd Nord- und Südpole erzeugt werden, deren magnetischer
Fluß sich in den Rotorraum erstreckt.
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Innerhalb des Umkreises der Pole 20 ist ein Rotor in Form eines zylindrischen
Wirbelstromringes 30 angeordnet, dessen Enden mit den Bezugszeichen 31 und 32 bezeichnet
sind. Der Rotor hat eine zylindrische Außenfläche 33 und eine der Wärmeabführung
dienende Innenfläche 34. Der Rotorring 30 besteht aus Kupfer oder einem ähnlichen
leitenden Material.
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Um den Rotorring so mit der Welle zu verbinden, daß im wesentlichen
seine gesamte Innenfläche für die Zwecke der Wärmeabfuhr zur Verfügung steht, ist
der Ring mit einem mittleren Flansch oder Speichenring 40 verbunden, der den Raum
innerhalb des Ringes in die symmetrischen Ringräume 41 und 42 unterteilt. Der Speichenring
hat eine Nabe 43, die mit der Welle 44 durch eine Feder 45 verbunden ist. Die Welle
44 hat ein Wellenende 46, welches mit der zu prüfenden Kraftmaschine verbunden werden
kann.
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Werden die Welle und der Wirbelstromring 30 in Umdrehung versetzt,
so werden in dem letzteren Wirbelströme erzeugt, welche ihrerseits ein magnetisches
Feld erzeugen, das das Gehäuse 10 zu drehen sucht.
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Das ausgeübte Drehmoment hängt von der Stärke des Gleichstromes ab,
der durch die Erregerwicklungen fließt. Die Erregerwicklungen haben einen verhältnismäßig
großen Querschnitt, so daß die Erregerspannung gering sein kann. Die Regelung des
Erregerstromes erfolgt in an sich bekannter Weise.
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Die Lager, in denen die Welle 44 gegenüber dem schwenkbaren Gehäuse
gelagert ist, sind in besonderer Weise ausgebildet. Sie enthalten zwei konzentrisch
zueinander angeordnete Lagerbuchsen, und zwar eine starre Buchse aus Gleitmaterial
und eine elastische Buchse aus Gummi od. dgl. Die Anordnung ist dabei derart, daß
die starre Buchse bei geringen Drehzahlen wirksam ist, insbesondere beim Anlassen,
worauf die Gummibuchse bei hohen Drehzahlen die Lagerwirkung übernimmt. Wie insbesondere
aus Fig. 1 und 3 zu ersehen, enthält das mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnete Lager
eine starre Buchse 51 aus Bronze oder einem ähnlichen Gleitmaterial und eine Gummibuchse
52. Die Lagerbuchsen haben an ihren inneren Enden zueinander passende, nach außen
gerichtete Flanschen 51 a bzw. 52 a. Die starre Buchse 51 ist in einer Buchse 55
gelagert, die mit dem Gehäuse verbunden ist, beispielsweise durch Schweißung.
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Um die Buchse 55 mit ausreichender Genauigkeit zu zentrieren, ist
sie in eine Bohrung 56 eines Ansatzes 11 a bzw. 12 a des Gehäusedeckels eingesetzt.
Beide Lager sind in gleicher Weise ausgebildet und spiegelbildlich angeordnet.
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Die Lager enthalten axiale Kanäle, durch welche hindurch eine Kühl-
und Schmierflüssigkeit unter Druck in das Innere des Gehäuses eingeführt wird, um
den Wirbelstromring zu kühlen. Diese Flüssigkeit kann beispielsweise eine Emulsion
von öl in Wasser sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind an der Innenseite
der Gummibuchse Längsnuten vorgesehen um die Flüssigkeit in großen Mengen hindurchzuführen;
die dadurch an den Begrenzungsflächen zwischen den sich bewegenden Teilen zur Ver-
fügung
stehende Flüssigkeit ergibt eine wirksame Schmierung. Wie aus Fig. 3 zu ersehen,
hat die Gummibuchse 52 eine Mehrzahl von Längsnuten 60, die in gleichen Abständen
an der Innenseite der Buchse angeordnet sind; an die Längsnuten schließen sich radiale
Nuten 60 a des Flansches 52 a an, so daß die Kühl- und Schmierflüssigkeit im rechten
Winkel abgelenkt wird und radial in das Gehäuse des Dynamometers eintritt. Diese
Flüssigkeit schmiert gleichzeitig die Berührungsflächen zwischen der äußeren Lagerbuchse
51 und der Buchse 55 des Gehäuses. Um die Schmierwirkung zu verbessern, kann die
Außenfläche der Buchse 51 mit einer oder mehreren flachen, schraubenlinienförmigen
Nuten 61 versehen sein, wie in Fig. 3 dargestellt. In den meisten Fällen genügt
jedoch die zwischen den Buchsen auftretende natürliche Saugwirkung, zumal die Buchse
51 nur bei geringen Drehzahlen wirksam ist.
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Es sind Mittel vorgesehen, um den äußeren Enden beider Lager Kühl-
und Schmierflüssigkeit zuzuführen, obwohl nur das eine Ende des Gehäuses mit einer
Zuführungsleitung verbunden ist. Wie aus F i g. 1 zu ersehen, ist das linke Ende
der Maschine durch einen Deckel 70 verschlossen, der durch die Schrauben 71 mit
dem Ansatz 11 a verbunden ist. Es entsteht so eine Eintrittskammer 72 für die Flüssigkeit.
Die Flüssigkeit wird der Kammer 72 durch eine Leitung 73 unter Druck zugeführt.
Da der Gesamtquerschnitt, insbesondere der Nuten 60 und 60a der Gummibuchsen, groß
ist, wird eine große Flüssigkeitsmenge in der Zeiteinheit zugeführt, die imstande
ist, eine wirksame Kühlung des Wirbelstromringes zu ergeben.
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Um dem anderen Lager ebenfalls Flüssigkeit zuzuführen, hat die Welle
44 eine Mittelbohrung 74, welche mit einer oder mehreren radialen Öffnungen 75 verbunden
ist, die zur zweiten Eintrittskammer 76 für die Flüssigkeit führen. Die Kammer 76
hat die gleiche Wirkung wie die Kammer 72, so daß dem rechten Lager ebenfalls große
Flüssigkeitsmengen zugeführt werden.
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Um einen Austritt von Flüssigkeit aus der Kammer 76 zu verhindern,
trägt der Ansatz 12 a des Gehäuses eine ringförmige elastische Dichtung 77, die
durch eine kreisringförmige Kappe 78 gehalten wird. Das innere Ende der Dichtung
77 legt sich gegen eine Dichtungsnabe 79, die mit der Welle verbunden ist.
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Der in der Kammer 76 herrschende Druck drückt die Dichtung 77 gegen
die Nabe 79, so daß eine wirksame Abdichung erzielt wird. Die beschriebene Dichtung
hat den Vorteil der Einfachheit und des geringen Platzbedarfs; es versteht sich,
daß statt dessen auch jede andere Dichtung verwendet werden kann, die für hohe Drehzahlen
geeignet ist.
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Die Abmessungen der Gleitbuchse 51 und der Gummibuchse 52 gegenüber
der feststehenden Buchse 55 bzw. der Welle sind derart gewählt, daß sie vom Anlassen
bis zu hohen Drehzahlen nacheinander zur Wirkung kommen. Die Buchse 51 hat ein geringes
Spiel gegenüber der feststehenden Buchse 55; im Fall einer Buchse von 9 cm Durchmesser
kann das Spiel beispielsweise die Größenordnung von 0,012 mm haben. Dies ist ausreichend,
um eine freie Relativbewegung der Teile 51 und 55 bei geringen Drehzahlen zu ermöglichen;
bei hohen Drehzahlen wird jedoch auf die Buchse 51 wegen der großen Lagerflächen
und der an solchen Flächen auftretenden Flüssigkeitsreibung eine Bremswirkung ausgeübt.
Was die Gummibuchse 52 betrifft, so ist ein elastischer
Paßsitz
zwischen der Buchse und der Welle vorgesehen, so daß das auf die Buchse ausgeübte
Drehmoment einen gewissen Grenzwert überschreiten muß, bevor eine Relativbewegung
einsetzt. Es liegt jedoch für den Fachmann auf der Hand, daß ein Schmierfilm zwischen
den Flächen entsteht und den Reibungskoeffizienten auf einen »Betriebswert« verringert,
sobald erst einmal die Relativbewegung eingesetzt hat. Es besteht daher keine Gefahr,
daß vorübergehend eine stärkere Reibung zwischen der Gummioberfläche und der Welle
auftritt.
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Es sind Leit- oder Ablenkbleche vorgesehen, die dafür sorgen, daß
der aus den radialen Nuten 60 a der Lager auftretende Flüssigkeitsstrom zur Mitte
des Wirbelstromringes geleitet wird, von wo aus er die gesamte Innenfläche des Rotors
bestreicht, wobei die Flüssigkeit durch den Rotor in Umdrehung versetzt und durch
die Zentrifugalkraft über die Enden des Rotors hinweg nach außen befördert wird,
um in kreisförmiger Bahn die Erregerwicklungen zu umspülen. Wie aus Fig. 1 zu ersehen,
sind an beiden Enden des Gehäuses Leitbleche angeordnet, die aus einem zylindrischen
Ablenkblech 81 und einem konischen Ablenkblech 82 bestehen. Die Ablenkbleche sind
durch Schweißen oder in anderer Weise an der Stelle 83 miteinander verbunden. Die
konischen Ablenkbleche sind mit den Teilen 11 und 55 des Gehäuses verbunden. Die
Flüssigkeit wird daher gezwungen, durch die Ringräume 41 und 42 hindurchzuströmen,
wobei sie mit der Innenfläche 34 des Rotors in Berührung kommt. Die durch den Rotor
auf die Flüssigkeit ausgeübte Reibung versetzt die Flüssigkeit in Drehung. Daher
wird die Flüssigkeit durch die Zentrifugalkraft über die Enden des Rotors hinweg
nach außen befördert und gelangt in die Ringräule 25 und 26, wobei sie ihre Drehbewegung
beibehält. Die Windungen der Erregerwicklungen sind in Umfangsrichtung angeordnet,
wie aus Fig.2 zu ersehen, so daß die Kühlflüssigkeit zwischen ihnen hindurchtritt.
Es versteht sich, daß die Flüssigkeit darüber hinaus infolge der Turbulenz auch
in die Zwischenräume zwischen benachbarten Polen befördert wird, so daß die Wicklungen
und die gesamte Polanordnung auch bei der größten Leistung ausreichend gekühlt werden.
Schließlich wird die Flüssigkeit über ein Rohr 90 abgeführt, um umgepumpt und gekühlt
zu werden, worauf sie wieder dem Einlaß 73 zugeführt wird. Das Gehäuse ist vollständig
von der Flüssigkeit erfüllt, so daß auch die Außenfläche 33 des Rotorringes ebenso
wie seine Endflächen 31 und 32 ständig gekühlt wird.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung und deren Vorteile gehen klar aus
der vorstehenden Beschreibung hervor. Zusammenfassend soll noch folgendes gesagt
werden. Das Dynamometer wird mit einer Kraftmaschine oder einer anderen Kraftquelle
verbunden, deren Drehmoment und abgegebene Leistung gemessen werden soll. Durch
das Rohr 73 wird der Vorrichtung Flüssigkeit unter Druck zugeführt, so daß die Einlaßkammer
72 und 76 an den äußeren Enden der Lager unter Druck gesetzt werden. Die Flüssigkeit
wird daher durch die axialen Nuten 60 hindurchgedrückt, die an den Innenseiten der
Gummibuchsen 52 angeordnet sind. Ein kleiner Teil der Flüssigkeit tritt zwischen
den feststehenden Buchsen 55 und den starren Buchsen 51 hindurch.
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Wenn die Welle sich zu drehen beginnt, wird infolge des engen Eingriffs
der Gummibuchsen mit der
Welle zunächst eine Relativbewegung zwischen den feststehenden
Buchsen 55 und den starren Lagerbuchsen 51 eintreten. Wenn die Drehzahl ansteigt,
wird die Reibung zwischen den letztgenannten Teilen größer, bis eine Relativbewegung
zwischen den Gummibuchsen und der Welle eintritt. Infolge dieser Relativbewegung
tritt die Ol-Wasser-Emulsion zwischen die Gummibuchsen und die Welle, wobei deren
Flächen wirksam geschmiert werden, so daß die Gummibuchsen danach als Hochleistungslager
für hohe Drehzahlen wirken, welche durch die in axialer Richtung fließende Flüssigkeit
sowohl gekühlt als auch geschmiert werden. Es hat sich herausgestellt, daß diese
Anordnung Drehzahlen bis zu 15000 Umdrehungen pro Minute und mehr gestattet, ohne
daß eine unzulässige Abnutzung oder eine Überhitzung auftritt. Darüber hinaus hat
der Gummi die Tendenz, als Dämpfer zu wirken und alle Schwingungen zu absorbieren,
die in dem mit hoher Drehzahl rotierenden Wirbelstromring entstehen können. Die
Elastizität des Gummis hat den weiteren Vorteil, daß auf besonders enge Toleranzen
verzichtet werden kann und daß die Auswuchtung des Rotors weniger kritisch ist.
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Die an den inneren Enden der beiden Lager ausgestoßene Flüssigkeit
wird gegen die Mitte des Wirbelstromringes geleitet und fließt in beiden Richtungen
von der Mitte aus an diesem enlang, wobei im wesentlichen die gesamte Innenfläche
des Wirbelstromringes mit dem Flüssigkeitsstrom in Berührung kommt. Infolge der
Reibung, welche die Innenfläche 34 des Wirbelstromringes auf die Flüssigkeit ausübt,
wird diese in Rotation versetzt, wobei ein gewisser Betrag von Turbulenz auftritt,
was zur Folge hat, daß der Wirbelstromring kräftig gekühlt wird und daß das Entstehen
von begrenzten heißen Stellen im Wirbelstromring mit Sicherheit vermieden wird.
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Die an den Enden des Rotors austretende Flüssigkeit, welche sowohl
axiale als auch radiale Bewegungskomponenten enthält, wird durch die konischen Leitbleche
82 in die Räume 25 und 26 befördert, wo die Rotation der Flüssigkeit anhält, so
daß die Erregerwicklungen und die Pole kräftig gekühlt werden. Hierauf wird die
Flüssigkeit durch das Rohr 90 abgeführt. Infolge des großen Drehzahl- und Drehmomentbereichs
der beschriebenen Vorrichtung genügt ein einziges Dynamometer für einen breiten
Anwendungsbereich. Die neuartige, einfache Anordnung macht es möglich, die Vorrichtung
mit geringen Kosten herzustellen; es ist selbst dann keine Wartung erforderlich,
wenn die Vorrichtung während langer Zeitspannen mit der maximalen Drehzahl und dem
größten Drehmoment betrieben wird.
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Der in Verbindung mit der Buchse 51 gebrauchte Ausdruck »Gleitmaterial«
bezieht sich nicht nur auf Lagermetalle, sondern auch auf jedes andere Material,
welches ähnliche Eigenschaften hat. Der Ausdruck »Gummi«, der in Verbindung mit
der Buchse 52 gebraucht wurde, soll alle elastischen Stoffe einschließen, deren
Eigenschaften ähnlich sind wie die des Gummis.