-
Wirbelstrommaschine (Dynamometer). Die Erfindung richtet sich auf
strömungsmittelgektihlte Wirbelstrommaschinen und insbesondere auf ein Flüssigkeit-Kühlsystem
für Wirbelstrom-Dynamometer, Wirbelstrombremsen und dergleichen.
-
Ein Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Kühlsystems
für Wirbelstrom-Dynamometer-Bremsen und dergleichen, durch welches die Leistungsaufnahme
einer solchen Maschine bei gegebener Maschinengrösse dadurch erheblich erhöht wird,
dass man die Innentemperatur der Maschine niedriger hält. Durch ein solches zu schaffendes
Kühlungssystem würden innere thermische Spannungen reduziert und ein Brechen der
Wirbelstrominduktor-Trommeln solcher Maschinen wird auch bei erhöhter Leistungsaufnahme
vermieden. Weiter erfordert das System nur wenig kostspielige Änderungen in der
Bauart.
-
Ein Dynamometer der allgemeinen Art, auf welche sich die Erfindung
bezieht, ist beispielsweise in der US-Patentschrift 2 367 163 gezeigt. Solche Maschinen
nehmen Drehmoment auf und bilden dadurch Leistungsmessgeräte und während ihres Einsatzes
wandeln sie mechanische Energie in Absorbierte Wärme um, die ihrerseits durch ein
Kühlmittel abgeführt werden
muss. Im allgemeinen gibt man den Leistungsbereich,
d.h. die
Grenze der Leistungsaufnahme einer solchen Maschine an
in PS, welche ohne Auftreten von Schäden noch aufgenommen werden können. Ein wichtiger
Faktor, welcher die Leistungsaufnahme begrenzt ist der Wirkungsgrad der Kühlung
der Wirbelstrom-Induktortrommeln. In diesem Sinne hängt der Wirkungsgrad teilweise
vom Aufrechterhalten eines grossen und gleichmässig verteilten Temperaturgradienten
über die ganzen Flächen der Trommeln ab, in welchen die Wirbelströme fliessen, da
sonst der Wärmeübergang in das Kühlmittel begrenzt ist und zu grosse thermische
verschiedene Belastungen auftreten können, welche bis zum Brechen der Induktor-Ringe
oder -Trommeln führen können. Mit Hilfe der Erfindung werden die Nachteile bekannter
Maschinen überwunden und man erhält eine besonders hohe Leistungsaufnahme weil ein.s
ehr hoher Wärmeübergang stets aufrecht erhalten wird, ohne daß dabei mechanische
oder thermische Beanspruchungen auftreten, die für die Maschine gefährlich sein
können.
-
Zur Lösung dieser Probleme schafft die Erfindung eine Wirbelstrommaschine
mit in einer Wirbelstromtrommel und dieser zugeordneter Feldspule drehbarem Rotor,
wobei an der Induktoranordnung Kühlungsmitteleinlass- und -auslass vorgesehen sind
und der im wesentlichen ringförmig ausgebildete Induktorteil von mindestens einem
ringförmigen Kanal umgeben ist und zwischen dem ringförmigen, die Feldspule enthaltenden
Raum und dem Magnetspalt am Umfang Bohrungen derart angeordnet sind, dass Kühlmittel
vom Einlass kommend um den Induktor herum durch eine oder mehrere ringförmige Durchführungen
hindurch, dann in dem ringförmigen, die Feldspule enthaltenden Raum, von dort durch
die am Umfang angeordneten Öffnungen über die Induktorflächen am Magnetspalt fliessen
kann, von wo aus es-durch eine oder zwei Sammelleitungen an einem oder an beiden
Enden des Induktors zum Auslass geleitet wird.
Bei einer besondere
vorteilhaften Ausführung der Wirbelstrommaschine ist nach der Erfindung vorgesehen,
dass der Kühlmitteleinlass mit einer oder mehreren ringförmigen Durchführungen verbunden
ist, die den . Strömungsmittelfluss teilen und um den Induktor herumführen und dass
wenigstens eine Öffnung den geteilten Fluss vereinigt, um ihn in die ringförmige,
die Feldspule enthaltende Kammer zu leiten. Bei dieser Bauart ist vorzugsweise jede
Durchführung in Form einer ringförmigen Nut auf dem äusseren derjenigen Abschnitte
der Wirbelstromtrommel ausgebildet, welche am Magnetspalt liegen. Der Strömungsmitteleinlass
ist dabei mit einigen dieser Nuten im Sinne eines gespaltenen Flusses um diejenigen
Trommelabschnitte, welche von der Feldspule abliegen verbunden und es ist weiter
mindestens eine Öffnung vorgesehen, um diesen gespaltenen Fluss wieder zu vereinigen
und ihn zu einer zweiten Aufspaltung um diejenigen Nuten zu bringen, welche näher
an der Spule liegen. Dabei ist dann weiterhin mindestens eine Öffnung noch vorgesehen,
um diesen zum zweiten Mal aufgespaltenen Fluss wieder zu vereinigen, bevor er in
den ringförmigen, die Spule enthaltenden Raum geleitet wird. Weitere Vorteile und
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung, in welcher ein Axialschnitt
durch eine Wirbelstrommaschine nach der Erfindung dargestellt ist. Mit -1 ist in
der Zeichnung eine Welle bezeichnet, an deren einem Ende beispielsweise die Maschine
angeschlossen werden kann, die hinsichtlich ihrer Leistung untersucht werden soll.
Auf die Welle 1 ist bei 3 ein das Feld polarisierender Rotor 5,
aufgekeilt,
der sich axial erstreckende mit gegenseitigem Abstand angeordnete und die Pole bildende
Zähne 7 hat. Diese Zähne erstrecken sich vom einen Ende des Rotors 5 bis zum anderen.
Die Welle wird in Lagern 9 einer im ganzen mit 11 bezeichneten und hin und her drehbar
gelagerten Induktoranordnunggehaltert. Diese Induktoranordnung wird meist als Stator
bezeichnet, selbst wenn sie in einer zur Hin- und Herdrehung geeigneten Weise gelagert
ist. Wenn man die dargestellte Wirbelstrommaschine nur als Bremse verwenden will,
dann wird man den Stator fest anordnen, d.h. ibanicht drehbar lagern. Der Stator
11 hat ein Gehäuse, welches aus magnetisierbaren ringförmigen Abschnitten 13 und
15 besteht. Diese beiden Abschnitte sind in der bei 17 und 19 dargestellten Weise
mit ringförmigen Rücksprüngen versehen, um dazwischen eine ringförmige Feldspule
21 aufzunehmen. Die Feldspule 21 ist in einem wasserdichten Gehäuse 23 eingeschlossen
und wird zwischen den Abschnitten 13 und 15 durch Abstandsringe 25 und 27 an ihrer
Stelle fest gehaltert. Die Ringe 25 und 27 sind mit Durchführungen 26 bzw. 28 versehen,
die in radialer Richtung verlaufen können. Die beiden Abschnitte 13 und 15 sind
in bekannter Weise mittels nicht gezeigter Bolzen miteinander verbunden. In die
ringförmigen Abschnitte 13 und 15 sind magnetisierbare Induktorhülsen 29 bzw. 31
eingelegt. Diese Hülsen oder besser Trommeln 29 und 31 sind auf ihrem Aussenumfang,
wie bei 33 angedeutet ist, mit Nuten versehen, welche ringförmige Kühlmittelkanäle
bilden. Die innere Oberfläche einer jeden Induktortrommel 29 und 31 ist zylindrisch
ausgebildet und mit geringem Abstand zu den die Pole bildenden Zähnen 7 zur Bildung
magnetischer Spalte 35 und 37 angeordnet. Zwischen den Induktorringen oder -trommeln
29 und 31 sind Ringe 39 bzw.
-
41 angeordnet, die vorzugsweise nicht magnetisierbar sind. Diese Ringe
39 und 41 sind mit Abstand zueinander angeordnet,
um einen am Umfang
liegenden Durchtritt 42 zu bilden, welcher den Raum, welcher die Spule 21 umgibt,
mit den Spalten 35 und 37 verbindet. In den oberen Bereichen der Statorteile 13
und 15 ist eine Reihe von Durchführungen 43, 45, 47 und 49 angeordnet, die alle
von einem Deckel 51 verschlossen sind. Über diesem Deckel 51 befindet sich ein längs
verlaufender Einlass-Stutzen 53. Die Durchführung 45 ist durch eine seitliche Öffnung
46 mit dem Raum 17, 19 verbunden, in welchem die Spule lagert; die Durchführung
47 ist mit diesem Raum durch eine seitliche Öffnung 48 verbunden. Der Einlass-Stutzen
53 steht mit der Durchführung 43 über eine Öffnung 55 und mit der Durchführung 49
über eine Öffnung 57 in Verbindung. Bei 59 ist ein Wassereinlass dargestellt, der
über ein Kniestück 63 mit einem flexiblen Rohr 61 verbunden ist. Das andere Ende
dieses Rohres 61 ist mit dem Einlass-Stutzen 53 über eine U-förmige Rohrverbindung
65 verbunden. Durch die Flexibilität des*Rohres 61 ist ein Hin- und Herdrehen des
Stators 11 möglich. An die äusseren Enden der Ringabschnitte 13 und 15 sind ringförmige
Sammelstutzen 67 bzw. 69 angeschraubt. Innerhalb dieser Stutzen 67 und 69-sind Halterungen
71 und 73 an. diese angeschraubt, in welchen selbst die äusseren Ringe der hager
9 angeordnet sind.-Die Innenringe dieser hager werden von der Welle 1
getragen. An jede dieser Halterungen 71 und 73 ist ein geöffnetes, d.h: mit
Bohrung versehenes Teil angeschraubt, welches einen Lagerzapfen 87 bildet. Bei 75
und 77 sind entsprechende Labyrinthdichtungen vorgesehen, bei 79 sind die
Ölabweiser und bei 81 Lagerbelüftungen dargestellt. Der untere Abschnitt des Stutzens
67 bildet eine Verbindung zur Auelassdurchführung 83. In gleicher Weise bildet der
untere Abschnitt des Stutzens 69 eine Verbindung mit einer Auelassöffnung 85.
Normalerweise
ist beim Betrieb eines solchen Dynamometers der Stator für eine Winkeldrehung um
die Lagerzapfen 87 gelagert. Die feststehenden Halterungen und Lager für die Lagerzapfen
87 sind nicht dargestellt.. Ebenso wenig ist die ganze Einrichtung zum Drehmomentmessen
mit Hilfe des Induktors nicht dargestellt, da alle diese Einzelheiten an sich dem
Fachmann bekannt sind. ßbenfalls ist die Schaltung für die Erregerspule 21 bekannt,
durch welche ein toroidförmiges Feld zur Verbindung des Rotors 5 mit dem Stator
11 erzeugt wird, wobei dieses Feld mit Hilfe der zahnartigen Pole 7 polarisiert
wird. Wenn der Rotor 5 gedreht wird, dann induziert die Verschiebung des polarisierten
Feldes Wirbelströme an den inneren Oberflächen der Induktortrommeln 29 und 31. Diese
Wirbelströme erzeugen magnetische Felder, welche mit dem polarisierten Feld zusammenwirken,
um Drehmoment vom Rotor 5 auf den Stator 11 zu übertragen. Die Wirbelströme haben
nahe der Innenfläche der Trommel 29 und 31 ihren grössten Wert und infolgedessen
werden diese Teile der Maschine auch auf die höchsten Temperaturen geheizt. Diese
hier entstehende Wärme muss wirkungsvoll abgeleitet werden, ohne dass die Trommeln
Schaden leiden. Der Weg des Kühlungsmittels, welches normalerweise Wasser ist, ist
in der Zeichnung mit Pfeilen angedeutet. Vom Einlass 59 fliesst das Wasser durch
das Rohr 61 zum Einlass-Stutzen 53, von wo aus es durch die Öffnungen 55 bzw. 57
in die Durchführungen bzw. Kammern 63 bzw. 49 tritt. Der Strom spaltet sich dabei
auf und geht in zwei Halbkreisen nach unten und um die unteren Enden der Trommeln
29 und 31 und fliesst dabei in jeder Trommel durch die äusseren Nuten 33 an der
in der Zeichnung unteren Seite der Trommeln 29 und 31 wird das Wasser dann aus den
Nuten kommend in Richtung auf die Mitte der Maschine durch die Querkanäle
30 und 32 geleitet. Dann teilt sich der Wasserfluss wieder in zwei halbkreisförmige
Flüsse um die inneren
Sätze von Nuten 33 neben der Spule 21, durch
welche das Kühlmittel wieder nach oben in die inneren beiden Kammern 45 und 47 neben
der Spule 21 gelangt. Von den Kammern 45 und 47 fliesst das Wasser in den Raum 17,
19 durch die Öffnungen 46 und 48, in welchem die Spule 31 liegt. Damit wird also
die Spule 21 gekühlt. Aus diesem Raum gelangt das Wasser durch den ringförmigen
Durchlass 42 in den Spaltraum, d.h. in den Raum zwischen Rotor und Stator. Von da
aus wird das Kühlmittel dann durch Zentrifugalwirkung von den Polen nach aussen.
d.h. an die Innenseite der Induktortrommeln 29 und 31 gesohleudert: Im ganzen fliesst
das Wasser dann in entgegengesetzten Richtungen durch die Spalte 35 und 37 in Richtung
auf die Sammelstutzen 67 und 69. Da der Wasserfluse durch den magnetischen Spalt
sowohl eine axiale als auch eine am Umfang liegende Komponente hat, fliesst das
Wasser mit entgegengesetzter schraubenförmiger Bewegung vom Schlitz 63 zu den Sammelstutzen
76 und 79. In den Sammelstutzen 76 und 79 gelangt das Wasser dann durch Schwerkraft
in die Sammelauslässe 83 und 85. Eine. bekannte. Maschine, die mit dem oben beschriebenen
Kühlsystew und insbesondere dem beschriebenen Kühlmittelverlauf ausgestattet worden
war konnte anstatt der vorherigen Nennleistung. von 250 PS 9oo PS aufnehmen,
ohne dass auf Grund irgendwelcher thermisohen Spannungen die Gefahr bestand, dass
die Trommeln 35 und 37 springen. Dabei wurde ausserdem selbst bei der erheblich
höheren Leistung eine niedrigere Innentemperatur erzielt, als dies vorher der Fall
war. Der Grund für diese überraschende Verbesserung scheint folgendes zu sein: Die
heissesten Teile der Induktortrommeln 29 und 31 sind die Innenflächen, die den Magnetspalt
begrenzen.'
Im Bereich der Nuten 33 ist die Temperatur etwas niedriger,
obwohl sie immer noch relativ hoch ist. Das kälteste Kühlungsmittel, das nach unten
und nach oben jeweils in halbkreisförmige Flüsse gespalten wird, kommt mit den kühleren
äusseren Teilen der Trommeln in Berührung. Dadurch wird ein sehr grosser aber noch
tragbarer Temperaturgradient für die Wärmeübertragung auf das Kühlmittel in den
Nuten 33 aufrecht erhalten. Wenn das Wasser. in den die Spule 21 umgebenden Raum
17, 19 eintritt, dann ist es bereits erwärmt, aber noch nicht so weit, dass es nicht
noch weitere Wärmemenge aufnehmen könnte. Infolgedessen wird auch die Spule 21 gekühlt:
Es tritt nunmehr durch den ringförmigen Schlitz 43 zwar warmes Wasser ein, aber
dieses Wasser kann immer noch Wärme aufnehmen, während es sich auf schraubenförmigen
Bahnen nach aussen durch die Spalte 35 und 37 in Berührung mit den sehr heissen
inneren Oberflächen der Trommeln 29 und 31 begibt Dadurch wird abermals ein sehr
wirksamer aber nicht zu grosser Temperaturgradient zum Übertragen von Wärme auf
das Kühlungsmittel in den Spalten 35 und 37 aufrecht erhalten. Das kühlere einlaufende
Wasser steht in Berührung mit den kühleren äusseren Abschnitten der Trommeln 29
und 31 in den Nuten 33 und das erheblich wärmere Wasser läuft über die erheblich
wärmeren Innenoberflächen der Trommeln 29 und 31. Auf diese Weise wird die Entstehung
von zu hohen Temperaturgradienten in den Trommeln 29 und 31 verhindert. Die Temperaturgradienten
können also an bestimmten Punkten nicht zu hoch werden. Da auf diese Weise die thermischen
Beanspruchungen auf ein Minimum reduziert werden, und damit die Gefahr eines Bruchs
der Trommeln relativ geringer wird, kann die Maschine bei gegebener Grösse mit Hilfe
der Erfindung eine so viel höhere Leistung aufnehmen.
Selbstverständlich
ist das hier wiedergegebene Prinzip der Kühlung bei allen Wirbelstrommaschinen anwendbar.
Obwohl die Induktortrommeln 29 und 31 als in Abschnitte 13 und 15 aufgeteilt dargestellt
sind, kann man natürlich auch eine einzige und dafür grössere Trommel vorsehen,
wobei dann die verschiedenen Kühlmittelleitungen in entsprechender Weise durch Ausnehmungen
herausgearbeitet sind. In den folgenden Ansprüchen sind mit den ersten bzw. zweiten
bzw. dritten jeweils paarweisen Durchführungen oder Kanälen für die Zirkulation
die mit den Bezugszeichen 43, 49 bzw. 3o, 32 bzw. 45, 46 (einschliesslich 47 und
48) bezeichneten Teile gemeint. Alle dargestellten Einzelheiten sind für die Erfindung
von Bedeutung.