DE1576715B2

DE1576715B2 - Magnetkupplung für den Ventilator zur Kühlung einer Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE1576715B2
Application number: DE1576715A
Authority: DE
Inventors: Francois Andriussi; Pierre Rouques
Original assignee: FA CEFILAC PARIS
Current assignee: FA CEFILAC PARIS
Priority date: 1966-06-27
Filing date: 1967-03-30
Publication date: 1974-01-17
Also published as: US3458122A; SE343105B; DE1576715A1; ES366106A2; GB1172917A; NL6708883A; ES342288A1; FR1492184A; BE700440A

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetkupplung für den Ventilator zur Kühlung einer Wärmekraftmaschine, der von dem zu kühlenden Motor angetrieben wird, mit einem Induktor mit abwechselnd aufeinanderfolgenden permanenten Nord- und Südpolen und einem induzierten Teil aus magnetisierbarem Material.

Bekanntlich erfordert die Kühlung einer Wärmekraftmaschine das Vorhandensein eines Luftstroms, der entweder direkt auf die Wärmekraftmaschine (Luftkühlung) oder auf einen Wärmeaustauscher oder Radiator gerichtet ist (Flüssigkeitskühlung). Wenn die Betriebstemperatur des Motors bei allen Belastungen annähernd konstant sein soll, muß die Kühlluftmenge den Wärmeverlusten des Motors proportional sein. Bei der Kühlung von Kraftfahrzeugen wird die Kühlluftmenge einerseits durch die Fahrtgeschwindigkeit und andererseits durch einen zusätzlichen Ventilator erzeugt. Bei schwachen Belastungen, z. B. wenn das Fahrzeug mit geringer Geschwindigkeit fährt, sinkt der thermische Wirkungsgrad der Motoren beträchtlich ab, wodurch der Prozentsatz der durch das Kühlsystem abzuführenden Wärmemenge sich vergrößert.

Die Wärmeaustauschoberfläche, ζ. Β. Rippen oder Radiatorrohre, ist durch einen wirtschaftlichen Kompromiß festgelegt. In allen Fällen ist die natürliche Belüftung infolge der Fahrtgeschwindigkeit praktisch bei großen Geschwindigkeiten ausreichend. Im Gegensatz dazu ist für niedrige Geschwindigkeiten und vor allem, wenn das Fahrzeug bei laufendem Motor steht, ein zusätzlicher Ventilator erforderlich. Im allgemeinen sind die Ventilatoren, die für diese Bedingungen ausgelegt sind, stets überdimensioniert für hohe Geschwindigkeiten. Die Antriebsleistung des Ventilators, die sich mit der dritten Potenz der Drehgeschwindigkeit ändert, ist daher nicht unbeträchtlich und völlig verloren. Darüber hinaus ist das Betriebsgeräusch des Ventilators bei hohen Geschwindigkeiten störend.

Es sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, die auf dem Prinzip beruhen, den Ventilator entweder durch Auskuppeln oder dadurch, daß man einen unabhängigen Antriebsmotor stoppt, anzuhalten, wenn er überflüssig ist. Zu diesem Zweck mißt ein Thermostat die Temperatur des Kühlwassers und schaltet den Ventilator nur oberhalb einer bestimmten Temperatur ein. Diese Einrichtungen können nur bei Motoren mit Flüssigkeitskühlung benutzt werden.

Aus der USA.-Patentschrift 2 255 420 ist eine Kupplung bekannt, bei der sich der Ventilator bei geringen Drehgeschwindigkeiten im wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Antriebswelle dreht, während seine Geschwindigkeit bei höheren Drehzahlen geringer ist als die Drehzahl der Welle. Dies wird dadurch erreicht, daß das Teil aus magnetisierbarem Material

ίο aus Segmenten besteht, die durch Zentrifugalkräfte von dem Dauermagneten entfernt werden, um den Luftspalt zwischen diesen Teilen zu vergrößern und zwischen ihnen einen Schlupf zu erzielen. Diese Maßnahme ist insofern nachteilig, als eine direkte Abhängigkeit der Größe des Luftspaltes und damit des Schlupfes und der Drehzahl der Welle vorliegt und verstellbare Segmente darstellen.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine magnetische Kupplung für den Ventilator zur Kühlung einer Wärmekraftmaschine so auszubilden, daß das Drehmoment ebenfalls in einem unteren Drehbereich der Antriebswelle synchron übertragen wird und oberhalb dieses Bereiches, wenn die Geschwindigkeit des Motors einen Wert erreicht, der oberhalb eines Grenzwertes liegt, bei dem sich der Synchronantrieb des Ventilators auf die Funktion des Motors nachteilig auswirken würde, auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, ohne daß es erforderlich ist, den Luftspalt zwischen den beiden Teilen zu verändern.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip der Hysteresekupplung und besteht darin, daß das induzierte Teil aus einem Material besteht, die Eigenschaften eines Dauermagneten hat und ein schwaches Koerzitivfeld aufweist.

Durch die besondere Auswahl des Materials für das induzierte Teil kann auf Einrichtungen zur Veränderung des Luftspaltes verzichtet werden. Vielmehr arbeitet die Kupplung gemäß der Erfindung so, daß bis zu einem bestimmten Drehmoment die Antriebswelle und das angetriebene Teil infolge der durch die magnetischen Pole des Induktors in dem induzierten Teil hervorgerufenen Magnetisierung synchron laufen, während oberhalb eines bestimmten Drehmomentes selbsttätig ein Gleiten oder Rutschen auftritt, wodurch das Drehmoment auf dem vorbestimmten Wert gehalten wird. Die Erfindung unterscheidet sich somit grundlegend von den Einrichtungen, bei denen Magnetkupplungen verwendet werden, die mit Foucaultschen Strömen arbeiten, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 805 596 und der USA.-Patentschrift 3 085 407 bekannt sind. Bei derartigen Wirbelstromkupplungen erfolgt die Induktion des aus magnetischem Material bestehenden Ankers mittels eines Elektromagneten, der aus einem Kern aus magnetischem Material besteht, auf den eine Spule gewickelt ist, so daß ein Drehmoment nur durch die Wirkung der Magnetfelder, die durch den Elektromagneten erzeugt werden, auf die elektrischen Ströme, die im Anker induziert werden, erhalten werden kann. Das Drehmoment ist also von der Relativbewegung der beiden Teile abhängig und tritt ohne eine solche Verschiebung nicht auf. Der Anker kann sich also nie mit der gleichen Geschwindigkeit drehen wie die Ausgangswelle.
Zum Stand der Technik gehört ferner die Synchronkupplung, bei der es sich um eine reine Mitnahmekupplung handelt, bei der die Drehwelle das angetriebene Teil bis zu einem bestimmten Drehmoment synchron mitnimmt und die bei Überschreiten des Drehmoments

abreißt, so daß zwischen den beiden Teilen keine Kupplung mehr vorhanden ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Magnetkupplung gemäß vorliegender Erfindung besteht darin, daß diese sich an unterschiedliche Belastungen anpaßt, denen der Ventilator in verschiedenen Höhenlagen wegen der unterschiedlichen Dichte der Luft ausgesetzt ist. Die Magnetkupplung gemäß vorliegender Erfindung läuft beispielsweise in einer Höhe von 2000 m, in der wegen der dünneren Luft und der großen Belastung des Motors durch Fahren in niedrigen Gängen eine größere Luftmenge zur Kühlung erforderlich ist, automatisch bis zu höheren Drehzahlen synchron, als es beispielsweise in Meereshöhe der Fall wäre, d. h., die Magnetkupplung paßt sich automatisch an die Betriebsbedingung des Motors an.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß das induzierte Teil und der Induktor Scheiben sind, die parallel zueinander mit geringem Zwischenraum angeordnet sind. Das induzierte Teil kann aus einer bekannten ferromagnetischen Legierung bestehen, bei der das Eisen Zusätze von Kohlenstoff, Chrom, Wolfram oder Kobalt einzeln oder gemeinsam enthält oder aus Legierungen vom Typ Nickel-Aluminium-Eisen. Beispielsweise kann eine Legierung benutzt werden, die durch ein Koerzitivfeld von 14 400 Ampere-Touren pro Minute definiert ist, was völlig ausreicht in Verbindung mit einem Induktor aus Bariumferrit.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Belüftungseinrichtung,

F i g. 2 eine Vorderansicht des Magnetinduktors,

F i g. 3 eine graphische Darstellung des übertragenen Drehmoments in Abhängigkeit von dem Rutschen,

F i g. 4 eine andere graphische Darstellung, die die Geschwindigkeit des Ventilators in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Antriebsteiles zeigt,

F i g. 5 eine graphische Darstellung verschiedener Leistungs- und Drehmomentwerte in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Antriebsteiles,

F i g. 6 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer anderen Ausführungsform,

F i g. 7 einen Axialschnitt bei einer weiteren Ausführungsform und

F i g. 8 einen Schnitt gemäß der Linie 8-8 der Fig. 7.

Bei dem auf F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf das überstehende Ende der Drehwelle 1 bei 2 eine Riemenscheibe 3 aufgekeilt, die mit einer Antriebswelle verbunden ist. An der Riemenscheibe ist eine Platte 4 durch Kleben und/oder mittels Schrauben befestigt, die den antreibenden Anker bildet und aus einer Legierung mit ferromagnetischen Eigenschaften, beispielsweise aus Stahl mit Kobalt, besteht.

Diese Platte oder besser gesagt Scheibe 4 bildet das antreibende Element der Hysteresekupplung. Das angetriebene Element besteht aus einem Magnetinduktor 5, der die Form eines Ringes (F i g. 2) mit Nord- (N) und Südpolen (S) hat, die auf der ebenen Fläche abwechseln, die der antreibenden Scheibe zugewandt ist. Der angetriebene Magnet ist in einer ringförmigen Ausnehmungö des Rotors 7 eines Ventilators angeordnet und durch Kleben befestigt.

Der Rotor 7 dreht sich auf einer glatten Verlängerung 8 der antreibenden Welle 1 auf einem Kugel- oder Rollenlager 9 und einem Nadellager 10, das nahezu in radialer Verlängerung des Dauermagneten5 angeordnet ist, der wegen des geringen Platzbedarfs eines solchen Lagers trotz eines relativ kleinen Außendurchmessers eine große Vorderfläche bei kleinem Raumbedarf hat. An dem Rotor 7, der durch einen Schraubring 11 geil halten wird, der auf das mit einem Gewinde versehenen Ende 12 der Welle 1 aufgeschraubt ist, sind die üblichen Flügel 13 befestigt.
Die Einrichtung arbeitet wie folgt:
Der induzierte und treibende Anker 4 wird durch die ίο bloße Anwesenheit des Feldes des angetriebenen Induktors 5 magnetisch. Das System ist daher vergleichbar mit einer magnetischen Synchronübertragung und kann ein bestimmtes Drehmoment Co entwickeln, das von der Konstruktion, d. h. der Art der Elemente 4 und 5 und deren Abmessungen abhängt. Im Gegensatz zu dem, was sich bei einer magnetischen Synchronkupplung abspielt, tritt ein Rutschen auf, wenn das gewünschte Drehmoment den Wert Co überschreiten will. Jede Zone des treibenden Ankers 4 wird abwechselnd in dem einen und dem anderen Sinne magnetisch und bildet so eine Hysteresisschleife. Es ergibt sich, daß das übertragene Drehmoment konstant und unabhängig von der Rutschgeschwindigkeit ist. Genaugenommen vergrößert es sich praktisch leicht mit dem Rutschen infolge entstehender Foucaultscher Ströme.

F i g. 3 zeigt die Veränderung des übertragenen Drehmoments Ci in Abhängigkeit von dem Rutschen. Das Drehmoment ist auf der Ordinate, das Rutschen in Touren pro Minute (T/min) auf der Abszisse aufgetragen.

Die Drehgeschwindigkeit η des Ventilators ist gleich der Geschwindigkeit N des treibenden Teiles, solange kein Rutschen stattfindet, beispielsweise bis zu 1500T/ min (Abschnitt OA der F i g. 4), und wächst dann sehr leicht infolge der Foucaultschen Ströme (Linie AB). F i g. 5 zeigt in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit N des Motors, die auf der Abszisse aufgetragen ist:

das notwendige Drehmoment bei dem Antrieb eines üblichen Ventilators, der auf der Welle verkeilt ist (Cu),

das notwendige Drehmoment gemäß der Erfindung infolge der Hysteresekupplung (C/),
die geforderte Leistung für einen üblichen Ventilator, der auf der Welle befestigt ist (Wu),
die notwendige Leistung (Wi) im Fall der Erfindung und
die insgesamt verbrauchte Leistung (Wc).

Diese Werte sind auf der Ordinate aufgetragen. Es ergibt sich, daß Ci erheblich unterhalb Cu liegt und daß Wi sehr viel niedriger als Wc ist.

Um die Erfindung näher zu erläutern, wird im folgenden ein Anwendungsbeispiel beschrieben:
Betrachtet wird ein genau geprüfter Ventilator, der bei niedrigen Geschwindigkeiten wirksam ist und dessen Kurvencharakteristiken für das Drehmoment C und die Leistung W denen der F i g. 5 entsprechen.

Bei maximaler Geschwindigkeit, d. h. bei 6000T/min, ist die Leistung Wu, die von dem üblichen, fest auf seiner Welle sitzenden Ventilator verbraucht wird, 3700 W, während das Antriebsdrehmoment bei dieser Geschwindigkeit etwa 5,9 m. N. ist.

Bei der Anordnung gemäß vorliegender Erfindung kann man diesen Ventilator synchron bis zu einer Tourenzahl von 1500 T/min mitnehmen und darüber die Geschwindigkeit so begrenzen, daß sie unterhalb 2000 T/min liegt.

5 6

Bei 1500 T/min ist das Antriebsdrehmoment Co Beim Betrieb stellt man eine Verringerung der dem

gleich 0,37 m. N., die verbrauchte Leistung Wo be- Motor entnommenen Leistung fest, die bis zu etwa

trägt 57 W. Man dimensioniert die Kupplung so, daß 3400 W bei maximaler Drehzahl betragen kann, d. h.

das »Abhänge«-Drehmoment Co etwa 0,37 m. N. ist. für den betrachteten Motor 6,4% der Gesamtleistung.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 1 kann dies mittels 5 Diese wiedergewonnene Leistung ist wohlgemerkt ganz

eines Magnetinduktors 5 aus Bariumferrit mit 8 Ma- umsonst.

gnetpolen geschehen, das die Zusammensetzung BaO, Der erhaltene Gewinn bezüglich des Geräusches ist

6 Fe₂O₃ hat. ebenfalls beträchtlich, da die Verringerung der Ge-

Der äußere Durchmesser des Induktors beträgt schwindigkeit von 6000 auf 1800 T/min gleichzeitig die

72 mm, der innere Durchmesser 30 mm und seine io Schalleistung und die ausgesandte Tonfrequenz beein-

Stärke 10 mm. flußt.

Die Gegenplatte 4, die den antreibenden Anker bil- F i g. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erdet, ist aus Stahl mit einem Zusatz von Kobalt, hat die findung, bei der der angetriebene Magnetinduktor5a gleichen Abmessungen und eine Stärke von 2,5 mm; die zusammengesetzt ist; er hat eine axiale Magnetisierung, Zusammensetzung ist folgende: 15 wobei eine Oberfläche der Nord- und die andere der

Kohlenstoff 0,9% ^Sü^P^o1 i^st- .. . _v _t. .. ., . . _{t v}

v-_ou_au 15°/ ^{r rm}gf°^rmig^e Kern 14 dieses Magneten ist mit

£, ry zwei Polmassen 15 und 16 ausgerüstet, die Zähne 17

η p. ° und 18 haben, die auf der äußeren Oberfläche ineinan-

20 dergreifen. Wie dargestellt, sind die Zähne abwechselnd

Der Zwischenraum, der durch Versuche bestimmt Nord- und Südpol.

wurde, wurde auf 1 mm festgelegt. Das entsprechende Hysteresestück 4a, das den an-

Mit dieser Einrichtung wird die Kupplung blockiert treibenden Anker bildet, hat daher die Form eines zu

für alle Drehmomente unterhalb 0,37 m. N., d. h. für dem Magnetinduktor 5 a konzentrischen Ringes, und

alle Drehgeschwindigkeiten unterhalb 1500 T/min. 25 die magnetischen Kräfte werden auf die äußere Um-

Für höhere Geschwindigkeiten folgt das übertragene fangsfläche des Magneten übertragen.

Drehmoment Ci der Kurve der Fi g. 5; bei 6000 T/min Der Magnet 5 a ist drehfest mit der Nabe 7 des

liegt das Drehmoment C max. bei 0,53 m. N., was einer Rotors des Ventilators verbunden, während das

Drehgeschwindigkeit des Ventilators von etwa 1800T/ Teil 4 a fest mit der treibenden Welle 1 verbunden ist,

min entspricht (vgl. Fig. 4). 30 da es fest auf einem Rahmen 19 sitzt, der auf einen

Die von dem Ventilator verbrauchte Leistung Wi Ring 20 des Treibrades 3 a aufgebracht ist, das auf der

max. beträgt 100 W. Welle 1 verkeilt ist.

Die verlorene Leistung Wp bei der Kupplung ist:. Bei einer anderen, in den F i g. 7 und 8 dargestellten Ausführungsform ist der angetriebene Magnetic _ 0 53 . (6000 — 1800) · -^- = 233 W ³⁵ induktor 5b> der mit dem treibenden Teil 4b zusam-' 30 menarbeitet, kreuzförmig; die Enden des Kreuzes sind

abwechselnd Nord- und Südpole.

Die verbrauchte Leistung ist somit: Die Arbeitsweise entspricht der der in F i g. 6 darge-

Wc max. = 333 W, d. h. nur 9 % der Leistung, die stellten Ausführungsform. Man kann vier prismatische

der gleiche, fest auf seiner Achse sitzende Ventilator 40 Magnete 19 verwenden, die auf einem zentralen Kern

verbrauchen würde. aus Weicheisen befestigt sind, der die Nabe Ib des.

Zusammenfassend hat die praktische Erfahrung ge- Rotors des Ventilators bildet.

zeigt, daß diese Art des Ventilatorantriebs die gute Die Stellungen des Ankers und des Induktors können

Funktionsfähigkeit des Motors vollkommen sicher- auch vertauscht werden, d. h., der Induktor kann der

stellt. 45 antreibende und der Anker der angetriebene Teil sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentansprüche:

1. Magnetkupplung für den Ventilator zur Kühlung einer Wärmekraftmaschine, der von dem zu kühlenden Motor angetrieben wird, mit einem Induktor mit abwechelnd aufeinanderfolgenden permanenten Nord- und Südpolen und einem induzierten Teil aus magnetisierbarem Material, d adurch gekennzeichnet, daß das induzierte Teil (4 a, 4b) aus einem Material besteht, das die Eigenschaften eines Dauermagneten hat und ein schwaches Koerzitivfeld aufweist.

2. Magnetkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das induzierte Teil (4) und der Induktor (5) Scheiben sind, die parallel zueinander mit einem geringen Zwischenraum angeordnet sind.