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Wirbelstrom-Magnetpulverkupplung, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Als automatische elektrische Kraftfahrzeugkupplungen sind bisher Wirbelstromkupplungen
und Ma= gnetpulverkupplungen bekanntgeworden. Wirbel-Stromkupplungen, soweit für
ihren Einbau nur der in modernen Kraftfahrzeugen vorhandene; für konventionelle
Kupplungen erforderliche Raum zur Verfügung steht, reichen bei dieser gegebenen
Größe in ihrem übertragungsdrehmoment nicht aus. Ihre Drehmomentcharakteristik dagegen
wäre ideal bis auf den bei Wirbelstromkupplungen vorhandenen Restschlupf, der bei
den geringen europäischen Motorleistungen nicht tragbar ist.
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Magnetpulverkupplungen, wie sie bisher bekanntgeworden sind, erfordern
zahlreiche Regelorgane, um alle vorkommenden Fahrzustände zu beherrschen. Ihre Funktion
wird in den meisten Fällen durch das Tachometer, den Vergaser und die Lichtmaschine
sowie durch einen Kontakt, der manuell durch den Getriebeschalthebel betätigt wird,
beeinflußt, wodurch der Anbau der steuernden Geräte an die Geber der Zustandsgröße
erforderlich wird. Dies führt zu umfangreichen Montagen, Verdrahtungen und empfindlichen
Einstellungen der Regelorgane, Bekannt sind beispielsweise elektromagnetische Schlupfkupplungen
als Glied zwischen einem Dieselmotor und einem Schiffspropeller (MTZ 1959). Dabei
besteht der Außenteil einer solchen Kupplung aus einem Tragkörper für eine Anzahl
von Einzelpolen, die gleichmäßig am Umfang verteilt mit Polschrauben angeschraubt
sind. Die von Gleichstrom durchflossene Wicklung baut das magnetische Kraftfeld
in der Kupplung auf. Dieses magnetische Feld durchsetzt den Luftspalt und tritt
in den Innenteil der Kupplung über.
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Der Innenteil der Kupplung besteht aus einer Nabe, die einen Eisenkörper
trägt. In diesem schließt sich das magnetische Kraftfeld. Am Außendurchmesser des
Eisenkörpers liegen gleichmäßig verteilt in Nuten Kupferstäbe, die auf beiden Seiten
durch kräftige Ringe zu einem Kurzschlußkäfig verbunden sind. In diesem Kurzschlußkäfig
fließt der elektrische Strom, der zusammen mit dem magnetischen Drehfeld das Drehmoment
auf den Innenteil der Kupplung weiterleitet.
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Diese Kupplung hat den Nachteil, daß eine mechanische Kraftübertragung
zwischen dem Primär- und Sekundärteil nur dann erfolgen kann, wenn eine in dem Sekundärteil
induzierte EMK vorhanden ist. Das setzt aber voraus, daß zwischen dem Primär- und
Sekundärteil ständig Schlupf besteht. Schlupf ist aber mit Energieverlust verbunden,
der für Kraftfahrzeuge nicht tragbar ist. Bei einer etwas anderen Konstruktion einer
elektromagnetischen Schlupfkupplung weist der Primärteil in seiner Bohrung eine
Reihe in Umfangsrichtung wechselnd erregter Polkerne auf (französische Patnet-Schrift
1087 966). Der Sekundärteil besteht aus einem Rotor aus Leichtmetall, der mit einer
Anzahl von Blechringen aus weichem Material derart vergossen ist, daß die Schnittkanten
der Blechringe außen mit dem beiderseits verbleibenden Leichtmetall abschließen.
Der aus den Blechringen bestehende magnetische Teil des Sekundärteils ist also lamelliert.
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Das Blechringpaket erhält weiter auf dem Umfang axiale Einkerbungen,
die ebenfalls mit dem Leichtmetall des Sekundärteils gefüllt sind. Der Sekundärteil
besteht also aus einem Leichtmetall-Kurzschlußkäfig, während die magnetisch leitfähigen
Pole lamelliert sind. Durch die Erregung der Primärpole und die Drehzahl zwischen
beiden Kupplungsteilen wird in dem durch die Einkerbungen in dem Blechpaket gebildeten
Kurzschlußkäfig (Sekundärteil) eine EMK induziert, wodurch dieser in einem Reaktionsverhältnis
zu dem Primärteil steht.
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Ferner ist durch die schweizerische Patentschrift 257 914 eine elektromagnetische
Kupplung mit einerseits einem gleichpoligen magnetischen Induktor bekannt, der einen
Käfiganker bildet und mit der Motorwelle verbunden ist, und mit andererseits einem
Kranz, der mit der Antriebswelle verkeilt ist, deren relative Drehung in bezug auf
den Induktor die magnetischen Flußänderungen bewirkt, wobei der Kranz aus nichtmagnetischem
Material besteht und eine Felge hat, in welcher metallische Stangen eingebettet
liegen und die Pole des Kranzes bilden.
Es handelt sich dabei um
eine Induktionskupplung mit doppeltem Kurzschlußanker und mit unbedeutender Wirbelstromwirkung.
Sie hat den Nachteil, daß ihr Übertragungsdrehmoment bei einer Baugröße, wie sie
in Kraftfahrzeugen tragbar ist; keinesfalls ausreicht, um das volle Motordrehmoment
zu übertragen. - Außerdem arbeiten Induktionskupplungen ständig mit Schlupf, wodurch
ein erheblicher Anteil der Leistung des Motors verlorengeht.
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Die Verwendung von Metallteilchen zwischen den Kupplungshälften ist
durch die deutsche Patentschrift 568 596 bereits bei Reibungskupplungen mit einer
auf der treibenden Welle befestigten Kammer und darin drehbar gelagerten Scheiben,
welche in einem aus Einzelteilchen bestehenden Stoff mit innerer Reibung, wie z.
B.- Sand, Metallpulver, Späne, Drahtstücke od. dgl. laufen, bekannt. Im magnetischen
Feld hat man ein feines Eisenpulver, fein gemahlene Späne od. dgl. schon seit langem
verwendet um Gegenstände aus Eisen und Stahl auf Risse oder Fehler zu untersuchen
(USA.-Patentschrift 2106 882).
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Die Verwendung einer Masse aus massiven paramagnetischen Teilchen,
die lose in einem Behälter enthalten sind, so daß eine relative Bewegung zwischen
den Teilchen möglich ist, in einem magnetischen Feld ist ebenfalls seit langem bekannt
(USA.-Patentschrift 2 417 347) und wird bei Magnetpulverkupplungen vorgesehen. Für
letztere sind verschic= dene Konstruktionen bekannt, von denen einige nachstehend
erwähnt werden: So ist durch die deutsche Patentschrift 916 919 eine Magnetpulverkupplung
oder -bremse bekannt, welche mit einer Trennkupplung in Reihe geschaltet ist. Hierdurch
sollen die Leerlaufverluste der Magnetpulverkupplung oder -bremse vermieden werden.
Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß außer der Magnetpulverkupplung
oder -bremse noch eine zusätzliche Trennkupplung erforderlich ist. Es ist also ein
verhältnismäßig großer Aufwand an Material und Platz erforderlich.
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Weiterhin ist eine elektromagnetische Eisenpulverkupplung bekannt
(ATZ 1954). Sie besteht aus einem Schwungrad, in dessen Innerem eine Ringspule untergebracht
ist. Anfang und Ende der Spule sind mit zwei Schleifringen verbunden. Der Außenkranz
bildet den Gegenpol des Magneten.
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In dem ringförmigen Luftspalt läuft der Kranz einer Kupplungstrommel,
die ähnlich wie eine Bremstrommel gestaltet ist; diese Trommel ist mit der Getriebeantriebswelle
verbunden. Im Luftspalt befindet sich EisenkarbonApulver mit Graphit oder einer
harten Kreidemischung als trockenem Schmiermittel, das bei laufendem Motor durch
die Fliehkraft nach außen geschleudert wird. Es handelt sich dabei um eine reine
Magnetpulverkupplung ohne jede Wirbelstromwirkung. Nachteilig ist, daß die elektrische
Steuerungsanlage für diese Kupplung umfangreich ist und ein ganz neues Bauelement
im Kraftwagen bedeutet.
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Eine andere Konstruktion einer Magnetpulverkupplung für Kraftfahrzeuge
besteht aus einem zweiteiligen Ringmagneten, der am Schwungrad des Motors befestigt
ist (Auto, Motor, Sport, 1958). Im Inneren dieses ringförmigen Magneten läuft eine
Erregerspule um. Schwungscheibe, Ringmagnet und Spule gehören zum antreibenden Teil
der Kupplung. Das innere Polrad ist über Keilnuten fest mit der Getriebewelle verbunden.
In dem spaltförmigen Raum zwischen Ringmagnet und Polrad befindet sich das Magnetpulver.
Auch hier handelt es sich um eine reine Magnetpulverkraftfahrzeugkupplung ohne Einzelpole
und daher ebenfalls ohne jede Wirbelstromwirkung.
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Bekannt ist für Wirbelstrom-Magnetpulverkupplungen die Verwendung
von axialen Stäben, die derart angeschnitten sind, daß sie zusammen mit dem Werkstoff,
in dem sie eingelassen sind, die glatte Wandung einer Bohrung ergeben. Bei einer
durch die Zeitschrift »Das Motorrad«, 1957, bekannten Ausführung sind dabei magnetisierbare
Stäbe in den nichtmagnetisierbaren Wandungen eingelassen.
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Bekannt ist auch ein elektromagnetischer Drehmomentwandler (USA.-Patentschrift
2 864 016). Wenn bei diesem die Antriebsmaschine nicht startet, kann sie in Bewegung
gesetzt werden mit Hilfe einer Ratsche, die auf einer Zwischenwelle fest angebracht
ist, und einer Sperrklinke. Wenn die Zwischenwelle anfängt, sich schneller zu drehen
als die Antriebswelle, greift die Sperrklinke in die Zähne der Ratsche, und beide
Wellen rotieren zusammen. Wenn die Zwischenwelle schneller rotiert als die Antriebswelle,
kann auch eine Bremswirkung erzielt werden. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß
die Klinkenvorrichtung dauernd im Eingriff ist; denn auch während der Fahrt soll
eine Motorbremsung erreicht werden.
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Es gibt auch Fliehkraftkupplungen (deutsche Patentschrift 897 364),
bei denen die- Abtriebswelle mit der Antriebswelle durch Vermittlung einer Fliehkraftklinkenvorrichtung
derart verbunden ist, daß das Fahrzeug entweder bei Stillstand oder während der
Fahrt mittels des Motors gebremst bzw. der Motor nötigenfalls von der Abtriebswelle
aus in Gang gebracht werden kann.
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Es ist ferner bekannt (D u b b e l , 1939 1I, S. 730), daß handelsüblicher
Stahl zwar erst bei Temperaturen von 700 bis 800° C seinen Magnetismus verliert;
es gibt aber auch Spezialstähle, die bereits bei Raumtemperatur nicht mehr magnetisierbar
sind. Letztere finden daher für Bauteile, die nicht magnetisierbar sein müssen und
umfangreichen Zerspanungsarbeiten unterliegen, Verwendung.
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Ferner ist es bei Gleichstrommaschinen mit ausgeprägten Einzelpolen,
bei denen der magnetische Kraftfluß in Umfangsrichtung von Pol zu Pol verläuft,
bekannt, Wicklungsschritte zu machen, welche sich von der Polteilung unterscheiden,
um ein pulsierendes Drehmoment zu verhindern (D u b b e 1, 1939 11, S. 765).
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Weiterhin ist die Verwendung von Glasfäden als Drahtisolation bekannt
(Handbuch für Hochfrequenz). Es muß jedoch damit gerechnet werden, daß die Isolierung
der Spulen infolge der erheblichen Drehbeschleunigung zu Pulver zerfällt, falls
die Spulen nicht in geeigneter Weise mit dem Feldring verbunden werden.
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Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrom-Magnetpulverkupplung, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, mit derart angeschnittenen, in axialer Richtung verlaufenden
Stäben, daß sie zusammen mit dem Werkstoff, in dem sie eingelassen sind, eine glatte
Wandung ergeben, und mit magnetisierbaren Teilen sowie mit einer ringförmigen, in
Umfangsrichtung um den Primärteil herumgewundenen Feldwicklung, wobei sich im Luftspalt
zwischen Primär- und Sekundärteil
Magnetpulver befindet. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung der beschriebenen Art zu schaffen, bei
der die bei bekannten Kupplungen aufgeführten Nachteile vermieden werden. Insbesondere
soll eine stoßfrei arbeitende Kupplung für Kraftfahrzeuge so raumsparend ausgebildet
werden, daß sie nicht mehr Platz beansprucht als eine übliche Reibscheibenkupplung.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise herbeigeführt,
daß sowohl am inneren Umfang des außenliegenden, mit einer ringförmigen, in Umfangsrichtung
herumgewundenen Umpolwicklung versehenen, magnetisierbaren Primärteils als auch
am äußeren Umfang des durch einen Luftspalt von ihm getrennten, innenliegenden magnetisierbaren
Sekundärteils in an sich bekannter Weise angeschnittene Einzelstäbe aus nichtmagnetisierbarem,
elektrisch leitendem Stahl angeordnet sind, und daß in der Mitte der Feldwicklung
am inneren Umfang des Primärteils eine ringförmige, mit einem nichtmagnetisierbaren
Polring ausgefüllte Ausnehmung sowie am äußeren Umfang des Sekundärteils eine mittige
Ausdrehung angeordnet sind; hierdurch liegen - in Umfangsrichtung gesehen - Pole
gleicher Polarität hintereinander, wobei die Polarität der Polflächen beiderseits
der Ausnehmung bzw. der Ausdrehung untereinander entgegengesetzt ist.
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Vorzugsweise ist die Zahl der nichtmagnetisierbaren Stahlstäbe von
Primärteil und Sekundärteil ungleich. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt,
das Verhältnis der Stäbezahl im Primärteil zur Stäbezahl im Sekundärteil 1 : 2 bis
1 : 4 zu machen. Nichtmagnetisierbare, elektrisch leitende Stahlstäbe haben gegenüber
Stäben aus anderen Materialien den großen Vorteil, daß sie gegen die mechanischen
Beanspruchungen durch Fliehkräfte bei sehr hohen Umdrehungszahlen und durch Reibungskräfte
durch das Magnetpulver widerstandsfähig sind; außerdem haben sie die genügende Festigkeit,
um die Polschenkelringe im Primärteil zusammenzuspannen.
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Im Primärteil befinden sich die Feldwicklungen sowie die Umpolwicklung
auf einem Feldring, der sich aus einem magnetisierbaren Jochring, aus zwei mit radialen
Nuten sowie zwei Bohrungen für die Anschlußtüllen versehenen magnetisierbaren Polschenkelringen
und aus dem nichtmagnetisierbaren Polring zusammensetzt und an seinem inneren Umfang
axiale Bohrungen trägt, welche durch seine Innenbohrung angeschnitten sind; dabei
ist in jeder zweiten axialen Bohrung ein in an sich bekannter Weise entsprechend
angeschnittener nichtmagnetisierbarer, elektrisch leitender Stab aus nichtmagnetisierbarem
Stahl eingepreßt, dessen Länge vor dem Einpressen größer als die Breite des Feldringes
ist. In den restlichen axialen Bohrungen liegen in gleichfalls bekannter Weise entsprechend
angeschnittene Stäbe aus nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitendem Stahl, welche
bei der Montage der Kupplung eingezogen, auf dem einen Ende mit einem seitlich angeflachten
Kopf und an dem freien Ende mit Gewinde und Mutter versehen sind.
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Sowohl die ringförmige Umpolwicklung als auch die ringförmige Feldwicklung
sind gegeneinander und gegen den Feldring mit Glasseide isoliert. Die negativen
Anschlüsse der Umpolwicklung sowie der Feldwicklung sind in ihrer Anschlußtülle
in einer Lötbuchse miteinander verlötet und mit Masse verbunden, während die positiven,
mit am Primärteil zentrisch angeordneten Schleifringen verbundenen Anschlüsse der
Umpolwicklung sowie der Feldwicklung an je eine getrennte Lötbuchse in ihrer gegenüberliegenden
Anschlußtülle angeschlossen sind. Die Anschlußtüllen bestehen aus elastischem Kunstwerkstoff
mit eingespritzten Lötbuchsen; sämtliche Wicklungen und Anschlußtüllen mitsamt ihren
Lötbuchsen sind in Kunstharz eingebettet, welches von den Nuten- der Polschenkehinge
gehalten wird.
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Die Umpolwicklung ist gegensinnig zur Feldwicklung gewickelt und ständig
erregt; sie ist so bemessen, daß ihre Feldstärke ausreicht, um die Remanenz zu löschen.
Die Verwendung einer ständig erregten Umpolwicklung, welche das magnetische Feld
nach Abschalten der Feldwicklung momentan verschwinden und die Kupplungen damit
momentan unwirksam werden läßt, ist viel einfacher und eleganter als die Verwendung
einer zusätzlichen Trennkupplung.
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Die Kupplung ist durch seitliche, mittels der auf dem einen Ende mit
einem angeflachten Kopf und an dem freien Ende mit Gewinde sowie Mutter versehenen
nichtmagnetisierbaren, elektrisch leitenden Stahlstäbe gehaltene Deckel aus nichtmagnetisierbarem
Material abgeschlossen. Dabei ist der eine vorzugsweise mit einem zu Kühlung des
Motors dienenden Lüfterrad in einem Stück gegossenen Deckel an dem freien Ende der
Kupplung einerseits mit dem Polschenkelring zentriert sowie andererseits mit der
Kupplungsnabe des Primärteils, welche eine konische, zu dem konischen Sitz der Kurbelwelle
des Motors passende Bohrung mit einer Keilnut sowie ein Abziehgewinde aufweist,
zentriert und vernietet und trägt auf seinem nach innen ragenden Mittelteil ringförmige
Ausdrehungen; diese bilden zusammen mit den entsprechenden Ausdrehungen im Sekundärteil
ein Labyrinth. Der auf der gegenüberliegenden Seite, also motorseitig angeordnete
Deckel, welcher Klinken für eine zwischen Primär- und Sekundärseite angeordnete
Klinkenvorrichtung trägt, ist mit einer Füllschraube zum Einfüllen von Eisenpulver
und mit einem Staubdeckel versehen.
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Zweckmäßigerweise ist ein kleiner Luftspalt von ungefähr 0,1 mm zwischen
dem Jochring und den Polschenkelringen vorhanden. Die Umpolwicklung besteht aus
Widerstandsdraht, wodurch Vorwiderstände eingespart werden.
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Der Sekundärteil der Kupplung besteht aus einem aus magnetisierbarem
Material gefertigten Rotationskörper, welcher mit einem sein Wälzlager haltenden
Lagerkopf verschraubt ist; dabei wird der Innenring des Wälzlagers durch einen Spannring
auf der Kupplungsnabe des Primärteils gehalten. Die Nabe des Sekundärteils ist mit
einer Verzahnung sowie sein mittlerer Teil beiderseits mit ringförmigen Ausdrehungen
versehen, welche zusammen mit den Ausdrehungen der Deckel eine Labyrinthdichtung
ergeben.
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Zur mechanischen Verbindung zwischen Primär-und Sekundärteil dienen
im motorseitigen Deckel schwenkbar angeordnete, fliehkraftabhängige Klinken, welche
auf zwei ineinandergeschobenen Hohlfederstiften ruhen und durch Federn in Ausnehmungen
eines abgewinkelten Ringes gedrückt werden, der auf der Nabe des Sekundärteils drehbar
gelagert ist und durch eine auf dieser mittels einer durch einen Spannring gehaltenen
Tellerfeder gegen einen kreisringförmigen Reibbelag der Nabe gepreßt wird.
Nachdem die Polschenkehinge 2 und 3 mit dem Polring 4 verpreßt sind und bevor der
Jochring 1 montiert wird, werden die Anschlußtüllen 5 und 6 in die in den Polschenkelringen
2 und 3 vorgesehenen Bohrungen 7 und 8 gesetzt. Die Polschenkelringe 2 und 3 und
der Polring 4 werden dann mit Glasseide 9 isoliert, worauf die ringförmige Umpolwicklung
lÖ aus Widerstandsdraht aufgebracht wird. Diese wird ebenfalls mit Glasseide isoliert;
es folgen die weiteren Lagen der ringförmigen Feldwicklung
11 aus Kupferlackdraht.
Die negativen Anschlüsse der Ümpolwicklung 10 und der Feldwicklung 11 sind in ihrer
Anschlußtülle 5 in einer Lötbuchse 12 verlötet und liegen an Masse. Die positiven
Anschlüsse der Umpolwick-Jung
10 und der Feldwicklung
11 werden mit
getrennten Lötbuchsen 13 und 14 in ihrer Anschlußtülle 6 verlötet. Die Anschlußtüllen
5 und 6 sind aus elastischem Kunstwerkstoff mit eingespritzten totbüchserl 12,13,14
gefertigt. In F i g: 13 ist dargestellt, wie das Kunstharz 15, welches die Wicklungen
10 und 11 bindet, in die Anschlüßtülle 6 eingeflossen ist. Die Polschenkelringe
2 und 3 haben radiale Nuten
16, 17, um die kunstharzgetränkten Wicklungen
10 und 11 fest mit ihnen zu verbinden.
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Der Feldring (vgl. F i g. 5, 6 und 7) trägt axiale Bohrungen 18; welche
durch seine Innenbohrung 19 angeschnitten sind; in jede zweite axiale Bohrung 18
ist ein nichtinagnetisierbarer Stab 20, beispielsweise aus- üichtmägnetisierbarem
Stahl, dessen Länge vor der Pressung größer als die Breite des Feldringes ist, eingepreßt.
In den restlichen axialen Bohrungen 18 liegen Stäbe 21, welche bei, der Montage
der Kupplung eingezogen und entsprechend dem Durchmesser der Innenbohrung 19 des
Feldringes angeschnitten, auf dem einen Ende mit einem seitlich angeflachten Kopf
22 und an dem freien Ende reit Gewinde 23 versehen sind und die zugleich die beiderseitigen
Deckel 24 und 25 der Kupplung mit dem Feldring verbinden. Die angeflachten Köpfe
22 dieser Stäbe 21 sind in einem Rand des Deckels 24 gegen Verdrehen gesichert.
Der Deckel 24 aus nichtmagnet% sierbareni Material ist mit einem zur Kühlung des
Motors dienenden Lüfterrad 26 in einem Stück gegossen, Durch einen Ansatz 27 ist
der Deckel 24 mit denn Polschenkelring 3 zentriert Der Deckel 24 ist ferner mit
der Kupplungsnabe 28 des Primärteils zentriert und vernietet; er hat ringförmige
Ausdrehungen 29; welche zusammen mit den Ausdrehungen 30 im Sekundärteil 31 ein
Labyrinth bilden. Die Kupplungsnabe 28 des Primärteils trägt eine konische Bohrung
32 mit einer Keilnut 333 welche zu dem konischen Sitz der Kurbelwelle 34 des Motors
paßt. Ferner ist in der Kupplungsnabe 28 des Primärteils ein Abziehgewinde 35 angeordnet.
Eine Füllschraube 36 im Deckel 25 ermöglicht das Einfüllen von Magnetpulver.
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Auf der denn Lüfterrad 26 gegenüberliegenden Seite der Kupplung ist
mit dem Polschenkelring 2 der Deckel 25 zentriert. Dieser hat ringförmige Ausdrehungen
37, welche zusammen mit den Ausdrehungen 30 des Sekundärteils 31 der Kupplung Labyrinthe
bilden. Zwei ineinandergeschobene Hohlfederstifte 38 bilden in dem Deckel 25 die
Achsen für zwei durch Federn 39 belastete, fliehkraftabhängige Klinken 40.
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Ein Staubdeckel 41 aus nichtmagnetisierbarem Material schützt vor
Eindringen von Sehmutz: Der Sekundärteil 31 der Kupplung bestellt aus einem aus
magnetisierbarem
Material gefertigten Rotationskörper, welcher mit einem Lagerkopf 42 verschraubt
ist; dieser hält das Wälzlager 43, mit welchem der Sekundärteil 31 auf der Kupplungsnabe
28 des Primärteils gelagert ist. Auf dieser ist der Innenring des Wälzlagers 43
durch den Spannring 44 gehalten.
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Die Nabe 45 des Sekundärteils 31, welche innen eine Verzahnung 46
trägt, dient außen als Lager für einen abgewinkelten Ring 47 mit Ausnehmungen 48
für die Klinken 40, welcher sich mittels einer durch einen Spannring 49 gehaltenen
Tellerfeder 50 gegen einen ringförmigen Reibbelag 51 preßt. Der abgewinkelte Ring
47 hat also Reibschluß mit dem Sekundärteil 31. An die Außenseite des Lagerkopfes
42 legt sich ein flacher Ring 52 aus Reibmaterial; an diesen legt sich wiederum
ein flacher Eisenring 53, gegen welchen durch Federn 54 belastete, in der Kupplungsnabe
28 des Primärteils angeordnete Kugeln 55 drücken. Der Ring 52 trägt eine mit Kontaktröllchen
56 und 57 versehene Kontaktbrücke 58.
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Sowohl in der Kupplungsnabe 28 des Primärteils als auch im Deckel
24 gegen diese durch Isolierplättchen 59 und Isolierröhrchen 60 isolierte Messingbolzen
61 und 62 sind auf der Seite der Kupplung angeordnet; diese tragen Kontaktröllchen
63 und sind durch Muttern 64 gesichert. Die Messingbolzen 61 und 62 können an ihrem
inneren Ende elektrisch durch das Kontaktröllchen 56 verbunden werden. Außerdem
sind noch zwei weitere Messingbolzen 65 und 66 angeordnet, welche in gleicher Weise
ausgebildet und angeordnet sind; sie dienen mit ihrem inneren Ende als Anschläge
für das Röllchen 57 der Kontaktbrücke 58. Von den Messingbolzen 65 und 66 führt
eine elektrische Verbindung zu der positiven Anschlußklemme der Feldwicklung 11.
Ein fünfter Messingbolzen 67 dient zum Anschluß der Umpolwicklung 10, zu dessen
positiver Anschlußklemme ebenfalls eine elektrische Verbindung führt.
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Die Umfangsfläche des Sekundärteils 31 ist durch eine mittige Ausdrehung
68 in zwei Polflächen 69 und 70 aufgeteilt; diese tragen eine Anzahl axialer Bohrungen
71, welche durch den äußeren Umfang des Sekundärteils 31 zu einem Teil angeschnitten
und mit entsprechend angeschnittenen und mittig ausgedrehten Stäben 72 aus nichtmagnetisierbarern,
elektrisch leitendem Material, beispielsweise aus nichtmagnetisierbarem Stahl, gefüllt
sind. Beide Polumfangsflächen 69 und 70 bestehen also aus einer Vielzahl von Einzelpolen
gleicher Polarität.
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Der Luftspalt 73 zwischen Primär- und Sekundärteil enthält eine genau
dosierte Menge eines legierten, ferromagnetischen Magnetpulvers, das neben einer
hohen magnetischen Flußdichte auch gute thermische Eigenschaften aufweist.
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Zwecks Klarstellung sei gesagt, daß unter »Primärteil« der mit der
Kurbelwelle 34 des Motors und unter »Sekundärteil« der mit dem Getriebe mechanisch
verbundene Teil zu verstehen ist.
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Es soll nun die Arbeitsweise der Kupplung erläutert werden. i Die
erfindungsgemäße Konstruktion ergibt praktisch eine Kombination der Eigenschaften
eines Wirbelstromsystems mit einem übertragungsdrehmoment, das dem einer Magnetpulverkupplung
entspricht.
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Die durch den Luftspalt 73 getrennten, gegenüberliegenden Pole erzeugen
magnetische Kraftlinien von einer Flußdichte, die nicht allein durch die Erregung,
sondern auch von dem Verhältnis der Anzahl der Pole im inneren und äußeren Kupplungsteil
beeinflußt wird. Zugleich verteilt sich der an den Polen resultierende Fluß auch
auf die Flächen der nichtmagnetisierbaren Stäbe zwischen den Polen des anderen Teils
und läßt dort Wirbelströme zur Bildung gelangen in einem Ausmaß, als Flächen hierzu
vorhanden sind.
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Es ist zweckmäßig, die Anzahl der nichtmagnetisierbaren, axialen Stäbe
20, 21 und 72 im Primär-und Sekundärteil in ein bestimmtes Verhältnis zueinander
zu setzen, um bei allen Fahrzuständen, also sowohl in der Ebene als auch am Berg
und bei langsamem und schnellem Beschleunigen, gleich gute Kupplungseigenschaften
zu erzielen. Am günstigsten wurde bei mittlerem Motordrehmoment ein Verhältnis von
etwa 1 : 3 gefunden, doch kann bei anderen Drehmomenten unter Umständen ein anderes
Verhältnis günstiger sein. Es zeigte sich, daß bei diesem Verhältnis die gleichmäßige
Verteilung des Magnetpulvers am besten ist, Drehschwingungen vom Motor auf den Kupplungsvorgang
keinen störenden Einfluß haben und das Kupplungsdrehmoment mit der Abnahme der Relativdrehzahl
gleichförmig verläuft.
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Wird der Luftspalt 73 zwischen dem Primär- und Sekundärteil mit Magnetpulver
gefüllt, dann bilden sich aus den Teilchen unter dem Einfluß der magnetischen Erregung
gewissermaßen Bänder zwischen den Polen der beiden Kupplungsteile, deren Elastizität
mit steigender Flußdichte geringer wird, wogegen ihre Haftfähigkeit an den Polen
ansteigt. Hierdurch wird bei asynchronem Lauf, ganz besonders aber bei synchronem
Lauf, das übertragbare Kupplungsdrehmoment gegenüber dem reinen Wirbelstromprinzip,
welches in der erfindungsgemäßen Anordnung gleichfalls wirksam ist, wesentlich erhöht.
Da ferner die Reaktion der Flußdichte zwischen den Polen der Kupplungsteile von
der Zeit, während der sich die Pole gegenüberstehen, abhängig ist, ergibt sich ein
mit fallender Relativdrehzahl steigendes Kupplungsdrehmoment bei konstanter Erregung,
wobei dessen Verlauf durch den Erregerstrom und die Anzahl der verwendeten Stäbe
im Verhältnis zu den gegenüberliegenden bestimmt wird.
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Der erregte äußere Primärteil der Kupplung hat beiderseits der mittig
angeordneten Feldwicklung 11 Ringpole, die durch nichtmagnetisierbare axiale Stäbe
20 und 21, welche durch die Innenbohrung 19 des Primärteils angeschnitten sind,
unterbrochen werden, so daß auf jeder Seite eine Anzahl von Einzelpolen entsteht.
Wird dieser Teil erregt, dann bilden sich, je nach der Polung des an die Feldwicklung
11 gelegten Gleichstromes, auf der einen Seite z. B. Nord-, auf der anderen Seite
Südpole oder umgekehrt.
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Der innere Teil der Kupplung (Sekundärteil 31)
besteht aus einem
Rotationskörper, dessen Umfangsfläche in der Mitte eine Ausdrehung 68 trägt, so
daß beiderseits der Ausdrehung 68 Polringe entstehen, die durch eine Anzahl nichtmagnetisierbarer
Stäbe, welche durch die Umfangsfläche des Sekundärteils angeschnitten sind, unterbrochen
werden; somit bilden sich hier bei Erregung des Primärteils einzelne Gegenpole zu
den Polen des Primärteils.
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Sowohl die Flächen der Innenbohrung 19 des Primärteils als auch die
Flächen am äußeren Umfang des Sekundärteils 31 weisen also magnetische Pole und
zwischen diesen nichtmagnetisierbare Flächen elektrischer Leitfähigkeit auf.
Wird
der Außenteil erregt, dann haben die Pole des Außen- und Innenteils die Tendenz,
sich im stationären Zustand so auszurichten, daß jeweils ein Polpaar des Primärteils
mit mehreren Polpaaren des Sekundärteils einen magnetischen Kreis bildet. Versucht
man jetzt, beide Teile gegeneinander zu verdrehen, dann steht diesem Versuch die
magnetische Anziehungskraft der Pole entgegen. Wird weiter der Raum zwischen den
Flächen des Sekundärteils und der Fläche der Innenbohrung 19 des Primärteils mit
feinkörnigem Magnetpulver ausgefüllt, dann wird das Magnetpulver in den Luftspalt
73 zwischen den Polen des Sekundär- und Primärteils hineingezogen; damit werden
-hier die magnetische Dichte und die durch die Polwirkung bzw. den magnetischen
Kreis erzielte haltende Wirkung beider Teile gegenseitig wesentlich erhöht.
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Dies wäre der Zustand bei der Relativdrehzahl Null.
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Betrachtet man diesen magnetischen Aufbau aber ohne Magnetpulverfüllung
bei Relativdrehzahlen zwischen den Kupplungsteilen, bezogen auf einen Nord- oder
Südpol des Sekundärteiles 31, dann wird dieses Polpaar im Moment des Vorbeistreichens
an einem größeren Polpaar des Primärteiles einen in Umfangsrichtung auf dem äußeren
Polpaar wandernden magnetischen Kreis schließen, was bekanntermaßen in diesem zur
Bildung von Wirbelströmen führt.
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Zwischen den magnetischen Polen des Außenteils sind aber weiter Stäbe
aus nichtmagnetisierbarem Material elektrischer Leitfähigkeit angeordnet. In diesen
werden sich daher nach dem Prinzip der Wirbelstrombremse durch die Frequenz des
magnetischen Flusses ebenfalls Wirbelströme bilden, da der Sekundärteil 31 durch
den über seine -anderen Pole fließenden Fluß weiter magnetisiert bleibt.
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Da die Intensität der Wirbelströme abhängig ist von der Frequenz-
des magnetischen Flusses, ist ersichtlich, daß bei hohen Relativdrehzahlen relativ
starke Wirbelströme auftreten. Der Anteil des Wirbelstrommomentes aber am gesamten
übertragbaren Drehmoment der Kupplung ist relativ gering. Wichtig ist aber, daß
die Kupplung bei Relativdrehzahl durch den Einfluß des Wirbelstromsystems auch dessen
Charakteristik zum größten Teil erhält. Es werden also beim Anfahren hohe Relativdrehzahlen,
damit aber auch hohe Frequenzen des magnetischen Flusses auftreten, die, aber ebenso
mit Abnahme der Relativdrehzahl abfallen.
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Wird bei dem vorliegenden System und Relativdrehzahlen Magnetpulver
angewendet, dann wird dieses bei Erregung in den Luftspalt 73 zwischen Innen- und
Außenpol gezogen und bildet hier bis zum Abreißen ein elastisches, magnetisches
Band. Die Einwirkung des Feldes im Außenteil auf die Pole des Innenteils wird damit
zeitlich verlängert, und es wird die Kraft aus der Dehnung des magnetischen Bandes
wirksam. Sobald dieses örtlich abgerissen ist, fällt auch das Feld in den betreffenden
Polen des Innen- i teils zusammen. Magnetische Feldfrequenzen bleiben aber durch
die Einwirkung der anderen Pole im Außenteil bestehen. Wenn das aus Pulver gebildete
magnetische Band abgerissen ist, liegt es als elastische Verlängerung des Außenpols
auf -dessen Kopffläche i und überbrückt also auch den Luftspalt zwischen dem Außenpol
und den-nichtmagnetisierbaren Flächen des Innenteiles und induziert hier eine EMK.
Das Magnetpulver hebt die Verzahnung der beiderseitigen Polringe des Außenteils
nicht auf; sondern konzentriert sich im Luftspalt 73 des magnetischen Kreises und
wandert mit der Polfläche des Außenteiles. Damit bleibt aber auch die Einzelpolwirkung
und die Bildung von Wirbelströmen bestehen.
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Betrachtet man die Funktion der Kupplung in einem Fahrzeug, dann treten
beim Anfahren hohe Relativdrehzahlen auf. Der relativ wirksame Wirbelstromeinfluß
ist also groß. Das Fahrzeug fährt weich an, wobei es möglich ist, bei einem Vierganggetriebe
mit jedem der vier Gänge anzufahren. Die magnetischen Bänder reißen unter der Berücksichtigung
der zu beschleunigenden Massen kurz und schnell ab.
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Das Fahrzeug ist in Bewegung: Die zu beschleunigenden Massen werden
geringer; die Relativdrehzahl fällt, der Wirbelstromeinfluß wird ebenfalls geringer,
aber die Wirkung der magnetischen Bänder wird kräftiger und ihr Einfluß zeitlich
länger.
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Das Fahrzeug ist beschleunigt und fährt mit gleichbleibender Geschwindigkeit:
Das zu übertragende Drehmoment, um nun die Geschwindigkeit konstant zu halten, ist
klein geworden. Die Relativdrehzahl ist Null. Das verfügbare Drehmoment der Kupplung
aus der reinen Polwirkung zwischen den Polen im Innen-und Außenteil liegt um einen
Sicherheitsfaktor höher als das erforderliche Drehmoment.
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Zur Funktion des Schleppschalters und der Bergraste (Klinkenvorrichtung)
ist noch folgendes zu sagen: Sobald der Fuß vom Gashebel genommen wird, wechselt
die Kraftrichtung in dem Getriebe des Fahrzeuges von Zug auf Schub. Der Antrieb
kommt jetzt nicht mehr vom Motor, sondern von der Hinterachse, wobei der Motor als
Bremse wirken soll. Derselbe Zustand tritt auch ein, wenn ein Fahrzeug bergab steht
und hierbei anrollt. Da der Kupplungsregler den Strom zur Kupplung aber erst schalten
darf, wenn Gas gegeben wird, würde beim Gaswegnehmen, ganz gleich, ob in der Ebene
oder bergab, das Fahrzeug im Freilauf rollen. Um hier in jedem Fall, also auch beim
Anrollen aus dem Stand, die Motorbremsung sicherzustellen, ist, wie die F i g. 3
und 4 zeigen, ein Schleppschalter vorgesehen, der die Feldwicklung 11 direkt einschaltet,
wenn der Sekundärteil schneller umläuft als der Primärteil. Die F i g. 3 zeigt einen
Ring 52 aus Reibmaterial, der in Reibkontakt mit dem Sekundärtei131 steht und an
einer Zunge eine Kontaktbrücke 58 mit den beiden Kontaktröllchen 56 und 57 trägt.
Diese Kontaktbrücke 58 ist zwischen vier Messingbolzen 61, 62, 65 und 66, die an
der Primärnabe 28 isoliert befestigt sind, angeordnet.
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Läuft nun der Primärteil schneller als der Sekundärteil 31, dann legt
sich das Kontaktröllchen 57 gegen die Messingbolzen 65 und 66, welche nur als Anschlag
dienen. Läuft dagegen der Sekundärteil 31 schneller um, wenn z. B. der Motor im
Leerlauf läuft und das Fahrzeug bergab rollt, dann legt sich das Kontaktröllchen
56 gegen die Messingbolzen 61 und 62 und bildet zwischen beiden eine elektrische
Brücke, so daß die Feldwicklung 11 direkt gespeist wird und mit dem Motor gebremst
werden kann.
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Da die Kupplung nur in erregtem Zustand kuppelt, ist es nicht möglich,
ohne weiteres im Stand, z. B. am Berg, zusätzlich einen Gang zur Handbremse als
Sicherheit einzulegen. Um dies auch möglich zu machen, trägt der Primärteil zwei
durch Federn 39 belastete, fliehkraftabhängige- Klinken 40, die bei
Stillstand
des Fahrzeuges und abgestelltem Motor in Ausnehmungen 48 im abgewinkelten Ring 47
eingreifen, der wiederum über die Tellerfeder 50, den Spannring 49 und den Reibbelag
51 mit dem Sekundärteil 31 im Reibschluß verbunden ist, wodurch der Primärteil mit
dem Sekundärteil mechanisch kurzgeschlossen ist. Zur Absicherung ist nur darauf
zu achten, daß bergauf der Rückwärtsgang und bergab der erste Gang eingelegt ist.
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Für die Funktion der Kupplung ist es nicht erforderlich, daß der Deckel
24 als Lüfterrad ausgebildet ist. Die Aufgabe des Lüfterrades 26 in dem vorliegenden
Fall ist es, den Motor zu kühlen.