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Antriebsanordnung zur Konstanthaltung der Drehzahl einer Abtriebswelle
bei stark schwankender Drehzahl einer Antriebswelle mit einer Schlupfkupplung zwischen
diesen Wellen Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung zur Konstanthaltung
der Drehzahl einer Abtriebswelle bei stark schwankender Drehzahl einer Antriebswelle,
wobei die Antriebswelle mit der Abtriebswelle wechselweise entweder mittels einer
Getriebeübersetzung oder direkt über eine Schlupfkupplung verbunden ist und der
Schlupf durch Regelung der Erregung der Schlupfkupplung veränderbar ist.
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Ein interessantes Anwendungsgebiet derartiger bekannter Anordnungen
ist das Flugwesen, wo es zweckmäßig sein kann, die Radareinrichtungen oder andere
an Bord eines Luftfahrzeugs (oder eines anderen Fahrzeugs) vorgesehene elektrische
Apparate mit konstanter Frequenz mit einer von einem Antriebsmotor eines derartigen
Fahrzeugs entnommenen Energie zu speisen. Die Antriebswelle einer derartigen Anordnung
wäre dann z. B. die einer von oder mit einem Strahltriebwerk angetriebenen Turbine,
während die Abtriebswelle die eines Wechselstromerzeugers konstanter Frequenz ist.
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Die Erfindung bezweckt, derartige Anordnungen so auszubilden, daß
sie besser als bisher den verschiedenen Anforderungen der Praxis entsprechen und
zu Ausführungen führen, die bei sehr großen Schwankungen der Drehzahl auf der Antriebsseite
eine konstante Drehzahl auf der Abtriebsseite erhalten und wobei die Regelung der
Ausgangsdrehzahl ohne mechanische Stöße oder sonstige Störungen und ohne übermäßig
große Schlupfverluste und die damit verbundene starke Wärmeentwicklung erfolgt.
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Es ist bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der die Erregung einer
Schlupfkupplung so von einer konstanten Stromquelle im Zusammenwirken mit einem
Tachodynamo beeinflußt wird, daß bei konstanter Drehzahl auf der Antriebsseite eine
verringerte, ebenfalls konstante Abtriebsdrehzahl bei schwankender Belastung erreicht
wird. Die bekannten Einrichtungen zur Erzeugung einer konstanten Drehzahl auf der
Abtriebsseite bei schwankender Antriebsdrehzahl mit Hilfe eines regelbaren Schlupfkupplungssystems
sind nur für verhältnismäßig kleine Schwankungsbereiche brauchbar. Dieser Mangel
ist auch nicht durch die Hinzunahme einer weiteren regelbaren Schlupfkupplung behebbar.
Es hat sich ferner gezeigt, daß auch durch die bekannte Zuordnung eines von der
Drehzahl der Antriebswelle selbsttätig gesteuerten Wechselgetriebes zu einer regelbaren
Schlupfkupplung keine befriedigende Lösung erhalten wird, da sich plötzliche überhöhungen
des Drehmomentes ergeben, die zu einem raschen Materialverschleiß führen. Im modernen
Flugwesen etwa, beispielsweise bei Strahltriebwerken, können diese bekannten Einrichtungen
den an sie gestellten Anforderungen nicht mehr genügen, insbesondere da durch den
eingeengten Schwankungsbereich ein übermäßiger Schlupf auftritt, der eine unzulässig
hohe Erwärmung zur Folge hat. Nach einem bekannten Vorschlag der vorgenannten Art
ist einer regelbaren Schlupfkupplung ein von der Drehzahl der Antriebswelle selbsttätig
gesteuertes Drehzahlwechselgetriebe zugeordnet. Dieses Wechselgetriebe ist zwischen
Antriebswelle und Schlupfkupplung angeordnet und wird in Abhängigkeit von der Antriebswellendrehzahl
so gesteuert, daß es die Benutzung der Schlupfkupplung innerhalb eines größeren
Drehzahlbereiches ermöglicht.
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Versuche mit dieser Einrichtung ergaben, daß sie zweifellos eine Verbesserung
gegenüber den übrigen bekannten Anordnungen mit sich brachte, jedoch nicht die erwartete
befriedigende Lösung des vorliegenden Problems, da bei der bekannten Einrichtung
durch die Geschwindigkeitsregelung ruckartige Stöße auf Grund von plötzlichen überhöhungen
des Drehmomentes auftreten.
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Demgegenüber wird die Erfindung bei der eingangs beschriebenen Antriebsanordnung
darin gesehen, daß die direkte Schlupfkupplung unmittelbar zwischen der Antriebswelle
(1) und der Abtriebswelle
(3) liegt, daß die die Getriebeübersetzung
zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle enthaltende kraftschlüssige Verbindung
eine weitere regelbare Schlupfkupplung enthält und daß sämtliche Schlupfkupplungen
derart geschaltet sind, daß jeweils diejenige Schlupfkupplung auf konstante Abtriebsdrehzahl
geregelt wird, die bei der gegebenen Eingangsdrehzahl den geringsten Schlupf aufweist.
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Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist das Auftreten von
Stößen völlig ausgeschlossen, da ein dauernder Antrieb der bewegten Massen erfolgt,
ohne daß anzutreibende Teile ab- oder zugeschaltet werden. Bei der erfindungsgemäßen
Antriebsanordnung können die Geschwindigkeiten der umlaufenden Teile beim Übergang
von einem Drehzahlbereich auf den anderen, sei es mit Drehrichtungsumkehr oder bei
gleichbleibender Weilendrehrichtung, dieselben bleiben; es wird nur die Erregung
von der einen Kupplung auf die andere umgeschaltet.
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In besonders vorteilhafter Weise ist gemäß Weiterbildung der Erfindung
der antreibende Teil einer ersten Kupplung starr mit der Antriebswelle verbunden,
der antreibende Teil einer zweiten Kupplung läuft doppelt so schnell um wie die
Antriebswelle, wobei die angetriebenen Teile der beiden Kupplungen mit der Abtriebswelle
starr verbunden sind; des weiteren ist ein Umschaltsystem vorgesehen, welches selbsttätig
die zweite Kupplung für den unteren Abschnitt des benutzbaren Eingangsdrehzahlbereichs
und die erste Kupplung für den oberen Abschnitt dieses Drehzahlbereichs erregt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Getriebe
zur Herstellung verschiedener Drehzahlverhältnisse zwischen der Antriebswelle und
dem antreibenden Teil einer der Kupplungen oder zwischen dem angetriebenen Teil
einer dieser Kupplungen und der Abtriebswelle liegt.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert, die schematisch eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung zeigt.
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Bei der dargestellten Ausführungsform soll eine Antriebswelle mit
stark veränderlicher Drehzahl eine Abtriebswelle mit praktisch konstanter Drehzahl
antreiben, an welcher der Rotor eines Wechselstromerzeugers angebracht ist.
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An der Antriebswelle 1 ist der antreibende Teil 2 einer Wirbelstromschlupfkupplung
befestigt, während auf der anzutreibenden Welle 3 der angetriebene Teil
4 dieser Kupplung und der Rotor 5 des anzutreibenden Wechselstromerzeugers
angebracht sind, dessen Stator 6 einen Strom zur Speisung einer Belastung 7 liefert,
welche z. B. ein Radargerät enthält.
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Dieser Strom speist auch einen Spannungsregler 8,
welcher eine
dem Rotor 5 zugeführte elektrische Regelgröße erzeugt, sowie einen Frequenzregler
9,
der das Erregersystem der Kupplung so erregt, daß ihr angetriebener Teil
4 trotz der Drehzahlschwankungen der Eingangswelle 1 und der Schwankungen
der Belastung 7 mit einer praktisch konstanten Drehzahl angetrieben wird, so daß
die Frequenz des von dem Wechselstromerzeuger gelieferten Stroms trotz dieser Schwankungen
praktisch konstant ist.
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Hierfür ist ein an sich bekannter Frequenzregler 9 vorgesehen, der
einen Strom liefert, dessen Stärke als die Summe von zwei Komponenten angesehen
werden kann, von denen die eine verhältnismäßig große Komponente praktisch zu der
von dem Wechsel-Stromerzeuger gelieferten Wirkleistung proportional ist, während
die andere verhältnismäßig kleine Komponente eine Funktion des Unterschieds zwischen
der wirklichen Frequenz und der Sollfrequenz der von dem Wechselstromerzeuger gelieferten
Spannung ist.
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Die Wirbelstromkupplung
2, 4 ist zweckmäßig so ausgebildet,
daß das von dem Antriebsteil auf den Abtriebsteil übertragene Moment praktisch von
der Relativgeschwindigkeit des einen Teils gegenüber dem anderen unabhängig ist
(natürlich oberhalb einer Mindestschlupfdrehzahl) und nur von dem Wert des Erregerstroms
ihres Induktors abhängt. Hierfür kann z. B. die den Anker der Kupplung bildende
Eisenmasse durch Teile aus einem elektrisch gut leitenden Metall, beispielsweise
Kupfer, ergänzt werden, insbesondere in Form von Ringen.
| Unter diesen Bedingungen entspricht einer gege- |
| benen Belastung des mit einer praktisch konstanten |
| Drehzahl (z. B. Nenndrehzahl) laufenden Wechsel- |
| stromerzeugers eine genau bestimmte Erregersn- |
| stärke der Schlupfkupplung und somit ein su |
| bestimmtes, von dieser Kupplung auf den Rotor des |
| Wechselstromerzeugers übertragenes AntriebWäo-- |
| ment, welches dem stets überschüssigen Moment der |
| Eingangswelle veränderlicher Drehzahl entre |
| wird. Der Wert dieses übertragenen Antriebsmoiööuts |
| oberhalb eines Mindestschlupfes hängt dabei k- |
| tisch nicht von dem Schlupf der Kupplung' üb-der |
| daher in einem weiten Bereich schwanken kam, |
| ohne die Ausgangsgrößen des Wechselstromerrs |
| zu stören. Es ist eine durch die Pfeile 10 angeädätete |
| Belüftung zur Abfuhr der durch die WirbehtrAme |
| erzeugten Wärme vorgesehen. . ,.,",,",.,.,1. |
| Zur Ermöglichung der Ausnutzung eines größen |
| Eingangsdrehzahlbereichs ohne übermäßige' °Er- |
| wärmung infolge des Schlupfes ist erfindungsgemäß |
| an der Welle des Rotors 5 außer dem angetriebenen |
| Teil 4 der Schlupfkupplung 2, 4 noch der angetrie- |
| bene Teil 11 wenigstens einer weiteren Wirbeler#en- |
| kupplung angebracht, deren antreibender Teil "'2''n |
| der Eingangswelle 1 über ein Getriebe 13 mit
° einer |
| Drehzahl angetrieben wird, welche von der des l# Teils
2 verschieden ist und z. B. '(las |
| Doppelte derselben beträgt. |
| Diese Kupplung 11, 12 weist die gleiche Bauart |
| wie die oben beschriebene Kupplung 2, 4 auf und ist |
| ebenfalls so ausgebildet, daß sie von dem Freqxienz- |
| regler 9 erregt wird, wobei ein Umschalter
14 vorge- |
| sehen ist, um den von dem Regler eingestellten |
| Erregerstrom wahlweise je nach seiner Stel'lung''"",der |
| einen oder der anderen Erregerwicklung der Teile
4 |
| bzw. 11 der beiden Kupplungen zuzuführen. Dfeter |
| Umschalter 14 wird in der weiter unten beschrieben |
| Weise so betätigt, daß die Kupplung, deren an- |
| treibender Teil schneller läuft (nachstehend als |
| schnellaufende Kupplung benannt), das Antriebs- |
| moment in der unteren Hälfte des ausnutzbareri' ' Eln- |
| gangsdrehzahlbereichs überträgt, während die attäere |
| oder langsam laufende Kupplung die Übertragung des |
| Moments in der anderen Drehzahlhälfte überreit. |
| Unter der Annahme, daß z. B. der Eingangsdreh- |
| zahlbereich zwischen 3400 und 10 500 U/min Ifegt, |
| daß die Nenndrehzahl des Wechselstromerzeugers |
| 6000 U/min beträgt und daß der antreibende Teil der |
| schnellaufenden Kupplung doppelt so schnell läuft, |
| wie der an der Eingangswelle angebrachte' en- |
| treibende Teil der langsam laufenden Kupplit, |
kann die schnellaufende Kupplung zur übertragung des Antriebsmoments
bei Eingangsdrehzahlen zwischen 3400 und 7000 U/min benutzt werden (wobei dann die
Schlupfdrehzahl von 800 auf 8000 U/min ansteigt), während die langsam laufende Kupplung
bei Eingangsdrehzahlen zwischen 7000 und 10 500 U/min benutzt wird (wobei die entsprechende
Schlupfdrehzahl zwischen 1000 und 4500 U/min schwankt).
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Die Steuerung des Umschalters 14 erfolgt durch einen an der Welle
1 angebrachten Tachometerdynamo 15, der eine Wechselspannung erzeugt,
deren Frequenz der Drehzahl der Eingangswelle 1 proportional ist. Der Tachometerdynamo
ist mit einem Siebglied 16 gekoppelt, das nur ein Signal oder einen Steuerstrom
liefert, wenn die Frequenz der an seinen Eingang angelegten Spannung einen bestimmten
Wert übersteigt. Ferner dient zur Steuerung des Umschalters 14 ein z. B. elektromagnetisches
oder statisches Relais 17, das mit dem Umschalter 14 kombiniert ist und durch das
Signal oder den Steuerstrom des Siebgliedes 16 erregt wird.
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Für das Anlassen der Antriebsanordnung wird zweckmäßig zwischen dem
Antriebsteil und dem Abtriebsteil wenigstens einer Kupplung eine Hilfskupplung,
z. B. eine Reibungskupplung, vorgesehen, die diese Teile bei kleinen Drehzahlen
des Antriebsteils verbindet und beispielsweise durch die Wirkung von Fliehgewichten
ausgekuppelt wird, sobald der Abtriebsteil die Mindestdrehzahl zur Erregung des
Wechselstromerzeugers überschreitet, worauf dann die magnetische Schlupfkupplung
die mechanische Kupplung ersetzt.
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Die Arbeitsweise der Antriebsanordnung ist folgende: Bei der Inbetriebsetzung
ist der Wechselstromerzeuger nicht erregt und liefert keine Spannung. Die Erregerspule
des Kupplungsteils 11 der schnelllaufenden Kupplung kann daher nicht erregt werden.
Die Eingangswelle 1 treibt das Getriebe 13 und die Antriebsteile 2 und 12 der beiden
Wirbelstromkupplungen und über die erwähnte Anlaßkupplung die angetriebenen Kupplungsteile
4 und 11 und den Rotor 5 des Wechselstromerzeugers an.
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Wenn die Drehzahl des Rotors die Mindestdrehzahl zur Erregung des
Wechselstromerzeugers überschreitet, liefert dieser eine Spannung, wodurch die Erregerspule
im Kupplungsteil 11 erregt wird, so daß ein magnetisch erzeugtes Moment allmählich
an die Stelle des insbesondere durch die Fliehkraft ausgeschalteten mechanischen
Moments tritt.
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Sobald bei den obigen angenommenen Zahlenwerten die Eingangsdrehzahl
3000 U/min etwas übersteigt, erreicht der Wechselstromerzeuger seine Nenndrehzahl.
Der Frequenzregler 9 greift dann ein und steuert den Schlupf der Kupplung 11, 12
so, daß die Drehzahl des Wechselstromerzeugers konstant gehalten wird.
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Sobald die Eingangsdrehzahl z. B. 7000 U/min erreicht, läßt das Siebglied
16 einen Steuerstrom durch, welcher das Relais 17 erregt. Der Umschalter 14 wird
daraufhin betätigt, und der von dem Regler 9 eingestellte Erregerstrom wird der
Erregerwicklung des Kupplungsteils 4 und nicht mehr der der Kupplung 11, 12 zugeführt.
Unmittelbar vor der Umschaltung wurde der an der Welle 1 angebrachte antreibende
Teil 2 mit 7000 U/min und der mit dem Rotor 5 fest verbundene angetriebene Teil
4 mit 6000 U/min angetrieben. Diese Differenz bildet den Mindestschlupf der Kupplung
2, 4, welcher anschließend mit der Eingangsdrehzahl zunimmt.
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Wenn die Eingangsdrehzahl hierauf unter 7000 U/min sinkt, tritt das
Umgekehrte mit einer leichten Verschiebung der Drehzahlen ein, welche von dem Unterschied
des Einschaltstroms und des Ausschaltstroms des Relais 17 herrührt. Diese Hysterese
ist günstig, da sie eine unzeitige Auslösung des Systems bei leichten Drehzahlschwankungen
in der Nähe von 7000 U/min verhindert.
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Die Eingangswelle 1 ist mit Hilfe von Kugellagern 18 in einem
gemeinsamen Gehäuse 19 gelagert, das alle drehbaren Teile der Anordnung umgibt.
Die zu der Welle 1 gleichachsige Welle 3 hat die Form eines Rohres und ist ihrerseits
mit Hilfe von Kugellagern 20
auf der Eingangswelle 1 gelagert. Die Schleifringe
21 zur Speisung der verschiedenen Erregerwicklungen des Wechselstromerzeugers bzw.
der Wirbelstromkupplungen sind an der Welle 3 angebracht. Ihre Zahl kann gleich
der Zahl der Erregerwicklungen zuzüglich einer Einheit sein, da ein und derselbe
Schleifring für alle Nulleiter benutzt werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung hält sich wegen der begrenzten
Schlupfwerte auch die Wärmeentwicklung in tragbaren Grenzen. Da die Anordnung ohne
elektromechanische Betriebskupplung auskommt, werden deren Nachteile vermieden,
ebenso wie eine Unterbrechung oder zeitweilige Verringerung der vom Wechselstromerzeuger
gelieferten Erregung, da die Drehzahl desselben sich praktisch bei der Umschaltung
des Antriebssystems nicht ändert.
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Die Erfindung kann in dem durch den Hauptanspruch festgelegten Rahmen
auch weiter abgewandelt werden. So können die Schlupfkupplungen anstatt durch Wirbelstromkupplungen
auch durch hydraulische Kupplungen, Reibungskupplungen, Pulverkupplungen usw. gebildet
werden. Das Getriebe 13 und die entsprechende Kupplung können auf der dem Eingang
der Welle 1. abgewandten Seite angeordnet sein. Die antreibenden Teile der verschiedenen
Kupplungen können mit den gleichen Drehzahlen angetrieben werden, wobei dann das
Getriebe zur Änderung des Drehzahlverhältnisses zwischen dem Rotor des Wechselstromerzeugers
und dem angetriebenen Teil einer dieser Kupplungen angeordnet ist. Die Gesamtzahl
der Kupplungen kann größer als zwei sein. Die Umschaltung der Erregerwicklungen
kann durch ein System zur Feststellung der Drehzahl gesteuert werden, welches von
dem Beschriebenen verschieden ist. Während der Umschaltung können die vor der Umschaltung
erregte Erregerwicklung und die zu erregende Wicklung beide während einer kurzen
Zeit parallel erregt werden, wobei dann der Umschalter 14 entsprechend ausgebildet
ist.