DE1921632A1 - Magnetkupplung - Google Patents

Description

• M a g n e t k u p p l u n g Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine MaFetkupplung zur Übertragung von Drehmomenten mit einer angetriebenen und einer temperaturabhängig mitgenommenen Kupplungshälfte, daren eine einen mehrpoligen Dauermagnetring mit Rückschlußplatte aufweist, welcher auf ein elektrisch und/oder magnetisch leitendes Element, insbesondere eine Scheibe, der anderen Kupplungshälfte einwirkt.
• Bei Einrichtungen mit umlaufenden Teilen ist es in vielen Gebieten der Technick erforderlich, mit veränderlicher Mitnahmegsschwindigkeit bzw -drohzahl zu arbeiten. Diesem Bedürfnis genügen Schaltkupplungen, welche die Antriebsverbindung zwischen einem antreibenden Element und einem getriebenen Element nur aufrechterhalten oder unterbrechen können, in allgemeinen nicht. Auch Reibungskupplungen lassen eine feinfühlige Veränderung der Nitzialunegeschwindigkeit bzw. -drehzahl nicht zu.
• Es gibt allerdings Asynchronkupplung, die in gewissen Drehzahlbereichen einen Schlupf bzw. eine Asynchronität zwischen entreibendem und getriebenen Element gestatten, bei niedrigen Drehzahlen aber praktisch synchron laufen.
• Beispiele hierfür sind bestimmte Arten von Magnetkupplungen, wie sie in dem Aufsatz von P. Gernhardtk "Dauermagnetische Kupplungen. Einteilung Wirkungsweise und Dimensionierung", DEW-Technische Berichte 2 (1962) Haft 4, Seite 153 f. beschrieben sind. Bei den Hysteresekupplungen steht einem mit Weicheisen-Rückschluß verüehenen Dauermagnetring als zweite Kupplunggshälfte eine Hysteresescheibe gegenüber (Fig. 1a). Sie besteht aus einem Material mit kleinerer Koerzitivfeldstärke und grbßerer Permeabilität als im Magnetwerkstoff des mehrpoligen Dauermagneten, von welchem sie beim Umlauf entgegen einem Widerstand ummagnetisiert wird. Die Hysteresekupplungen übertragen im weiten Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment, das jedoch auf verhältnismäßig niedrige Werte begrenzt ist (Fig. 1b).
• Bei den Wirbelstromkupplungen steht dem Dauermagnetring eine elektrisch 6u1eitende Scheibe9 meist aus Kupfer, mit einem dahinter angeordneten Weicheisen-Rückschluß gegenüber (Fig. 2a). Die Wirkungsweise ist die gleiche wie die einer Wirbelstrombremse; die in der Kupferscheibe induzierte elektrische Leistung entspricht der mechanischen Bremsleistung. Das übertragene Drehmoment ist ia gewissen Drehzahlbereichen etwa proportional zur Drehzahl (Pig.2b), sinkt aber bei strombedingter Erwärmung stark abO Beide Kupplungstypen erlauben nur eine beschränkte Drehzahldiffeens von etwa 500...2000 U/min zwischen dem antreibenden und dem getriebenen Element, und im stationären Zustand tritt bei den Hysteresekupplungen sogar synchrone Mitnahme ein.
• Vielfach sind jedoch gerade große Drehzahldifferenzen bzw.
• Asynchronitäten während des Betriebes, auch während eines stationären Betriebes, erforderlich. Ein wichtiger Anwendungsfall sind Kühleinrichtungen, insbesondere Lüfter, für Verbrennungskraftmaschinen, die nach dem Anlauf möglichst bald eine optimale Betriebstemperatur erreichen sollen.
• Die Lüfter bzw. Kühleinrichtungen sollen einen Anstieg der Temperatur über der Sollw-ert hinaus verhindern, Jedoch zuvor einerr Erwärmung bie zur Betriebstemperatur nicht entgegenwirken. Geeignete Systeme sind z. B. elektromagnetische Ventilatoren, die durch einen im Kühlmedium befinhohen Thermostatschalter gesteuert werden und den, Rotor des Lüfters entweder synchron bzw. mit Reibungsschlupf mitnehmen oder den Kraftschluß unterbrechen, die aber verhältnismäßig kompliziert, störanfällig und teuer sind.
• Man hat auch Kupplungen vorgeschlagen, die durch ein Bimetallelement temperaturabhängig betätigt werden, indem z. B. das Ventil eines Strömungsmediums geöffnet oder geschlossen wird oder indem eine Pederwendel ihrenDurchmesser verändert und so eine Welle bzw. Hohlwelle mitnimmt oder freigibt Solche Bimetallkupplungen arbeiten mit der Abnutzung unterworfenen bewegten Teilen, was je nach Beanspruchung eine Nachstellung in gewissen Zeit ständen notwendig macht und auf Jeden Fall einen nicht unbeträchtlichen Aufwand für die Wartung erfordert. Außerdem sind die hierbei erzielbaren Asynchronitäten auf verhältnismäßig kleine Werte begrenzt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Ausführungsformen zu vermeiden und mit minimalen konstruktiven Aufwand eine Magnetkupplung mit temperaturabhängiger Mitnahme zu schaffen, die betriebssicher sowie weitestgehend wartungsfrei arbeitet, große Drehzahldifferenzen au.
• läßt und durch geringe Änderungen, z. B. durch Austausch eines einzigen Teils miihelos den verschiedensten Bedürfnissen angepaßt werden kann.
• Bei einer Na,gnebkupplung der einganga erwähnten Art ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß wenigstens eine Kupplungshälfte einen im Betrieb einem Strömungsmedium ausgesetzten Temperaturfühler aus einem weichmagnetischen, ummagnetisierbaren Werkstoff, beispielsweise einem Thermoferrit, aufweist.
• Die erfindungsgemäße Kupplung besitzt einen außerordentlich einfachen Aufbau aus nur wenigen Teilen. Diese können je nach dem Verwendungszweck verschieden gestaltet sein, beispielsweise als sich gegenüberstehende Scheiben bei einer Stirndrehkupplung und als ineinandergreifende » teile bei einer Zentraldrehkupplung. Der einfache, robuate Aufbau gewährleistet nicht nur große Wirtschaftlichkeit der Herstellung, sondern auch hohe Zuverlässigkeit des Betriebes. Es tritt kein Verschleiß auf, so daß die Charakteristik eine optimale Langszeitkonstanz aufweist und auch durch Wechsel- oder Dauerbeanspruchungen nicht verändert wird. Der von dem Strömungsmedium beaufschlagte Temperaturfühler steuert bzw. regelt die Kraftflußdichte im Magnetkreis durch thermisch beeinflußte Veränderung des magnetischen Widerstandes. Eine wesentliche Rolle spielt dabei der Werkstoff des Temperaturfühlers.
• Thermoferrite gestatten es, temperaturabhängig den Durchtritt des magnetischen Kraftflusaes ZU steuern, also den Grad der Mitnahme der getriebenen Kupplungshälfte. Dies beruht auf der Eigenschaft, daß diese Naterialien unterhalb der Curietemperatur ferromagnetiach, darfiber aber paramagnetisch sind. Bei Überschreiten der werkstoffbedingten Curietemperatur findet daher ein stetiger, reversibler Ubergang aus einem magnetisch leitenden in einen nichtleitenden Zustand statt, was den bei herkömmlichen Kupplungen nicht in Betracht gezogenen Einsatz als Temperaturfühler ermöglicht.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung zur Verwendung vor allem als oder für Lüfter ist dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler als Kurzschluß im magnetischen Kreis ausgebildet bzw. angeordnet ist. Man erzielt dadurch eine hohe Empfindlichkeit, das heißt eine große Steuer- bzw Regelwirkung. Der Temperatur-Piihler bildet das Fühl- und Stellglied eines Regelkreises.
• Dieses ist bei tieferen Temperaturen gut magnetisch leitend, so daß der Magnetkreis s geschlossen und der Übertritt von Feldlinien in die andere Kupplungshälfte weitgehend oder ganz unterbunden wird. Dadurch ergibt sich ein großer Schlupf bzw. eine große Asynchronität, das heißt eine geringe oder keine Drehmomentübertragung. Bei höherer Betriebsteperatur steigt der magnetische Widerstand des Fühlers, es fließt magnetische Energie zur Gegen-Kupplungshälfte und es erfolgt eine asynchrone Mitnahme mit kleinerem Schlupf. Bemerknswert ist, daß sich Drehzahldifferenzen von beispielsweise bis zu 5000 U/min mühelos erreichen und auch aufrechterhalten lassen. Nit anderen. Worten, es tritt eine temperaturabhängige Drehzahlbegrenzung der getriebenen Kupplungshälfte auf, was insbesondere bei Verwendung als oder für Lüfter von Kraftfahrzeugmotoren außerordentlich vorteilhaft ist. Da dem zu kEihlenden Motor auch bei hoher Belastung und niedriger Drehzahl ausreichende Kühlluftmengen zugeführt werden müssen, muß der Antrieb mit gegenüber der Kurbelwelle nach oben übersetzter Drehzahl erfolgen. Läuft dann aber der Motor hochtouring, so ergeben sich mit nur geringer Asynchronität viel zu hohe Lüfterdrehzahlen. Da die Leistungsaufnahme des Lüfters etwa mit der dritten Potenz der Drehzahl ansteigt, nimmt sie einen viel zu großen Anteil der Motorleistung für sich in Anspruch. Unangenehm sind auch die bei Lüfterdrehzahlen bis zu 8000 U/min auftretenden starken Geräusche. Schließlich steht der Luftdurchsatz nicht in angemessenem Verhältnis zur Drehzahlsteigerung, da Wirbelbildung und Druckanstieg erhebliche Energieverluste bewirken. Alle diese Nachteile werden durch die mit der erfindungsgemäßen Kupplung erzielbare große Asynchronität bzw. Drehzahlbegrenzung vermieden, so daß die erforderliche Antriebs leistung und die Geräuschentwicklung in erträglichen Grenzen bleiben.
• Gemäß einem wichtigen Merkmal der erfindungsgemäßen Kupplung bildet sie die Nabe eines Lüfters oder ist in einer aolchen derart angeordnet, daß der Temperaturfühler im Betrieb direkt von dem Strömungsmedium angeströmt ist. Auf diese Weise hat man eine selbstkühlende Lüfterkupplung, die bequem an die verschiedensten Bedarfsfälle anpassbar ist. Sie eignet sich insbesondere für luftgeküphlte Kraftfahrzeugmotoren, auf deren Kühlluftbedarf sie genau abgestimmt werden können. Die Anordnung in der Nabe gestattet eine besonders einfache Führung des Strömungsmediums. Hervorzuheben ist der geringe Eigen-Leistungsverbrauch der selbstkühlenden Kupplung. Der Einbau in die Nabe wirft besondere kritische Temperaturprobleme auf. Herkömmliche, für Drehzahldifferenzen im Bereich von etwa 500 bis 2000 U/min ausgelegte Magnetkupplungen mußten fremdgekühlt werden, um einen sonst auftretenden Temperaturanstieg an dem elektrisch bzw. magnetisch leitenden Element bis auf über 200°C zu verhindern. Die günstige Strömungsführung der selbstkühlenden Anordnung nach der Erfindung gewährleistet hingegen die Funktion der Kupplung durch @@grenzung der Erwärmung und ihrem Einflusses. Ein Anstieg der Betriebstemperatur, beispielsweise um nur 80 Grade würde bei Wirbelstromkupplungen infolge der Widerstandverluste einen reversiblen Leistungsabfall, im Beispiel um etwa 30%, bewirken und in Falle von Hysteresekupplungen bei einer Temperatur von über 100 °C irreversible Gefügeänderungen hervorrufen. Allgemein bedeutet bei der temperaturabhängigen Regelung von Magnetkupplungen einerseits jeder Temperaturanstieg einen Übertragungsverlust, was eine Kühlung erfordert, während für die temperaturabhägige Mitnahme dem temperaturempfindlichen Element andererseits Wärme zugeführt werden muß, um den Durchtritt der Feldlinien zu steuern.
• Die erfindungsgemäße Gestalltung löst dieses schwierige Problem in einfacher Weise durch Verstärkung des einen und Unterdrückung des anderen Einflusses.
• Die Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwnindest die den Dauermagnetring aufweisende Kupplungshälfte drehfest mit einem Lüfter verbunden ist, insbesondere selbst Lüfterflächen trägt, und daß die andere Kupplungshälfte starr mit der Antriebswelle verbunden ist. Letztere kann beispielsweise die Welle einer Lichtmaschine sein, vor oder auch hinter welcher « in Anströmrichtung gesehen -Lüfter und Lüfterflächen angeordnet, sind. Infolge der hohen Drehzahl der Antriebswelle wird die angetriebene Kupplungshälfte, welche zugleich auch die geringere Drehmasse hat, gut gekühlt. Die mitgenommene Kupplungshälfte kommt nur auf eine niedrigere Drehzahl, was wegen der größeren Drehmasse von Dauermagnet mit Lüfter günstig für den Leistungsverbrauch ist. Wirkungsgrad und Ansprechgeschwindigkeit des Regelkreises sind dementsprechend noch.
• Wird eine erfindungsgemäße Magnetkupplung in Auströmrichtung hinter der Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuge angeordnet diese selbst also durch die mitgenommene Kupplungshälfte asynchron angetrieben, so ist die Drehzahl der Lichtmaschine auf Grenzwerte bzw. -bereiche beschränkt, bei denen t Verschleiß erheblich geringer ist als im Falle starr angetriebener, auf sehr hohe Touren kommender Lichtmaschinen.
• Ist jede der Kupplungshälften drehfest mit einem Lüfter verbunden, dann bewirkt die ständig umlaufende Kupplungshälfte eine Mindest- oder Dauerkühlung, welche dank der temperaturabhängig gesteuerten Mitnahme der anderen Kupplungshälfte bei höheren Temperaturen durch eine zusätzliche Kühlung ergänzt werden kann. Auf diese Weise läßt sich die Küpplung nach der Erfindung in einfachster Weise als Minimum-Maximum-Regler benutzen.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Temperaturfühler als am Umfang des Dauermagnetringes anliegender Ring ausgebildet ist. Vorzugsweise umgibt letzterer den Dauermagnetring außen, so daß eine unmittlebare Anströmung durch das Strömungsmedium gesichert ist. Greift der Ringfühler über dem Magnetring und die zugehörige Rückflußscheibe hinweg, so bewirkt er im magnetisch leitenden Zustand unmittelbar einen Kurzschluß und damit eine hervorragende Regelcharakteristik. Im Hedarfsfalle können auch andere Anordnungen des Ringfühlers vorteilhaft sein, insbesondere wahlweise oder zusätzlich an dem magnetisch bzw. elektrisch leitenden Element der anderen Kupplungshälfte.
• Günstig ist es insbesondere, wenn der Ringfühler in einem ein weiteres Strömungsmedium umlenkenden Gehäuse gefaßt ist.
• Dies ermöglicht eine direkte Beaufschlagung beispielsweise durch die im einfachsten Falle mittels eines Rohrstutzene zufährbare Kühl- oder Abluft eines Motors.
• Der Ringfühler, sein Gehäuse und/oder das Halterungsgehäuse für den Dauermagnetring kann am äußeren Umfang mit Schaufelrippen versehen sein. Diese Anordnung gewührleistet, daß der Sog des Hauptlüfters unterstützt wird, wodurch die Strömungsverhältnises und damit der Wärmeübergang zum Temperaturfühler noch verbessert werden.
• Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß das dem Dauermagnetring gegenüberstehende, elektrisch oder magnetisch leitende Element der anderen Kupplungshälfte Strömungsrippen aufweist. Die hierdurch erzielte zusätzliche Führung des Strömungsmediums ergibt einen verstärkten Regeleffekt und gleichzeitig einen vorbessertem Wirkungsgrad. Die Strömungsrippen können einstückig mit dem leitenden Element oder mit einer Rücklschlußscheibe sein. Die letztere Ausführung ist für Asyncronitäten bis zu etwa 2000 U/min. geeignet.
• Die Verrippung des magnetischen Eisenrückschlusses genügt, um eine Hysterese- und/oder Wirbelstromerwärmung zu unterdrücken. Für Asynchronitäten von über 2000 U/min. ist es vorteilhaft, wenn eine verrippte Kupferscheibe auf der dem Kühlufteintritt zugewandten Seite angeordnet und mit der Wirbelastromscheibe verlötet ist, was eine besonders schnel-1. Ableitun der entstehenden Wärme bewirkt.
• Eine intensive Kühlung und eine weitere Verbesserung der Strömungsführung ist erreichbar, wenn der BAnd des leitenden Elementes Schaufelflächen trägt. Außerdem ergibt sich dadurch die Möglichkeit, mittels geeigneter Anordnung bzw. Ausrichtung der Leitflächen zueinander und in bezug auf den Lüfter bzw. auf die Strömungsrippen eine Verwirbelung des Strömungsmediums zu erzielen, die zu einem stärkeren und rascheren Wärmeübergang beiträgt.
• Eine strömungsmechanisch besonders vorteilhafte Anordnung ist nach der Erfindung gegeben, wenn wenigstens die einem Strömungsmedium ausgesetzte oder zugewandte Kupplungshälfte Aussparungen zum Durchtritt des Strömungsmediums aufweist. Dies bedeutet, daß das Strömungsmedium nicht nur die eine, vorzugsweise die entreibende Kupplungshälfte anströmt, sondern auch zwischen den beiden Kupplungshälften hindurchgeführt werden kann. Dadurch ist ein besonders intensiver Wärmeaustausch sichergestellt.
• Eine besonders wichtige Weiterbildung, für die selbständiger Schutz in Anspruch genommen wird, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Element als Wirbelstromscheibe ausgebildet ist, vor der dem Daumagnetring zugewandt eine Hysteresescheibe angeordnet ist, vorzugsweise im Wärmekontakt zu ihr. Diese Konstruktion ermöglicht es, die Hysterese-Charakteristik mit der Wirbelstrom-Charakteristik nach Bedarf zu kombinieren. Je nach geometrischer An.
• ordnung, Volumen und Materialstärke läßt sich auf einfachste Weise jede geforderte Kupplungskennlinie erzielen. Eine geringe Dicke bzw. ein kleines Volumen der Hysteresescheibe hat zur Folge, daß ein Hystereseinfluß nur im unteren Drehzahlbereich stattfindet, während im oberen Drehzahlbereich die Abtriebsdrehzahl dank der Wirbelstromscheibe mehr oder weniger kontinuierlich zunimmt. Ein großes Volumen bzw. eine große Dicke der Hysteresescheibe steigert deren Einfluß, so daß bei höheren Antriebsdrehzahlen die Abtriebsdrehzahl nur noch geringfügig ansteigt, weil kaum noch Feldlinien bis sur Wirbelstromscheibe gelangen. Die Hysteresescheibe kann selbst den Temperaturfühler bilden oder zusätzlich zu vorgesehen sein. Die Gestalt der Scheibe ist von untergeordnet, er Bedeutung sie kann beispielsweise bei Zentraldrehkupplungen wie üblich durch einen Ring ersetzt sein.
• Bei allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kupplung ist es ferner möglich, daß zwischen den beiden Kupplungshälften in an sich bekannter Weise eine Trennwand aus nichtmagnetisierbarem Werkstoff angeordnet ist. Die Möglichkeit der berührungslosen Mitnahme bei wirtschaftlichen Luftspalten von beispielsweise 2 bis 3 mm erlaubt es, durch nichtmagnetische Wandungen hindurch aus geschlossenen Hystemen ein Drehmoment zu übertragen. Dies gestattet es, die Kupplung auch bei unterschiedlichen Strömungsmedium auf beiden Seiten zu verwenden. Beispielsweise ist eine Benutzung zur Übertragung der Drehbewegung von Flüssigkeits- oder Gaszählern aus dem Maß- in den Trockenraum möglich. Ferner kann das Strömungsmedium nur auf einer Seite angeordnet sein, so daß die Kupplung bei Vakuumanlagen, Pumpen, Kompressoren u. dgl. eingesetzt werden kann. Insbesondere ist es möglich, diejenige Kupplunghälfte, welche den Temperaturfüler trägt, im Kreislauf einer Flüssigkeit, z.B.
• Öl oder Wasser, anzuordnen und so von deren Temperatur zu beaufschlagen.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung vom Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen: Fig. 1a ein Prinzipschema des Aufbaues und Fig. 1b typische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer Hysteresekupplung nach dem Stand der Technik, Fig. 2a ein Prinzipschema des Aufbaues und Fig. 2b typische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer Wirbelstromkupplung nach dem Stand der Technik, Fig. 3 bis 6 Prinzipschemata des Aufbaues verschiedener Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Wirbelstromkupplung, Fig. 7 eine Schnittansicht einer Ausführungsform entsprechend Fig. 5 einer erfindungsgemäßen Kupplung in Verbindung mit einem Lüfter, Fig. 8 eine Schnittansicht ähnlich Fig. 7 einer gegenüber Fig. 5 und 6 abgewandelten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kupplung in Verbindung mit einem Lüfter, Fig. 9 eine Schnittansicht ähnlich Pig. 7 einer erfindungsgemäßen Hysteresekupplung in Verbindung mit einem Lüfter, Pig. 10 und 11 Schnittansichten einer Kupplungshälfte einer erfindungsgemäßen kombinierten Hysterese-Wirbelstromkupplung und Fig. 12 Asynchronitäts-Kennlinien verschiedener Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Kupplung.
• In Fig. 1 und 2 sind herkömmliche Magnetkupplungen 21 und ihre Drehmomentkennlinien schematisch dargestellt. Die in Fig. 1a gezeigte Magnetkupplung 21 ist eine Hysteresekupplung. Die antreibende Kupplungshälfte 22 weist eine Antriebswelle 24 auf, die mit der Drehzahl n1 umläuft und eine leitende Scheibe 25 trägt, welche aus magnetisch leitendem Material besteht. Die getriebene Kupplungshälfte 23 hat einen Dauermagnetring 28 mit einer Rückschlußplatte 29, welche den Magnetring 28 auch am Umfang umschließt und mit der Abtriebswelle 27 starr verbunden ist. Letztore läuft mit der Abtriebsdrehzahl n2 um. Die Kupplung ist im ausgerückten Zustand dargestellt, in Wirklichkeit ist der Luftspalt zwischen den beiden Kupplungshälften 22, 23 im eingerückten Zustand sehr klein; er liegt in der Größenordnung' von 1 mm.
• Die zugehörige Drehmoment-Drahzahl-Kennlinie ist in Fig. 1b schematisiert. Man sieht9 daß von einer Mindest-Drehzahl-Differenz #n = n1 - n2 ab das übertragene Drehmoment M im weiten Bereich genähert konstant bleibt. Die für kleineren Luftspalt geltende Kurve 13a läßt die stärkere Mitnahme gegenüber der für größeren Luftspalt geltenden Kurve 13b erkennen In Fig. 2a ist eine herkömmliche Wirbelstromkupplung schematisch dargestellt. Diese Magnetkupplung 21 besteht wiederum aus einer entreibendem Kupplungshälfte 22 und einer getriebenen Kupplungshälfte 23. Auf der Antriebswelle 24 der antreibenden Kupplungshälfte 22 sitzt eine elektrisch leitende Scheibe 25 und eine weichmagnetische Rückschlußscheibe 26.
• Die Abtriebswelle 27 der getriebenen Kupplungshälfte 23 weist wiederum ein Rückschlußgehäuse 29 mit einem Dauermagnetring 28 auf. Wie aus Fig. 2b hervorgeht, läßt sich mit einer Wirbelstromkupplung auch bei größerer Drehzahldifferenz #n = n1 - n2 ein größeres Drehmoment M übertragen, wobei der Kennlinienverlauf wiederum vom Luftspalt, vor allem aber von der Dicke der elektrisch leitenden Scheibe 25 abhängt. Diese besteht vorzugsweise aus Kupfer oder aus, Aluminium. Kurve 14a gilt für eine kleine Dicks der Kupferscheibe 25, beispielsweise 1 mm, Kurve 14b für eine mittlere Dicke von beispielsweise aDia und Kurve 14c für stärkers Scheiben 25 von beispielsweise 3 mm. Bei beiden Arten von Magnetkupplungen 21 wird der Wirkungsgrad bzw. die Mitnahme ferner von den äußeren ibmessungen und den Strömungsverhältnissen beeinflußt.
• Die erfindungsgemäße Magnetkupplung unterscheidet sich von den herkömmlichen Magnetkupplungen in erster Linie dadurch, daß wenigstens eine der Kupplungshälften 22, 23 einen im Betrieb einem Strömungsmedium ausgesetzten Temperaturkühler 31 aus einem weichmagnetischen, ummagnetisierbaren Werkstoff, beispielsweise einem Thermoferrit, aufweist. In den Fig. 3 bis 6 sind schematisch mögliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Wirbelstromkupplung gezeigt, auf welche die Erfindung Jedoch nicht beschränkt ist. Zwischen den beiden Kupplungshälften 22, 23 einer Magnetkupplung 21 nach der Erfindung kann eine Trennwand 40 aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff angeordnet sein, doch ist dies nicht erforderlich. Be,i der Anordnung gemäß Fig. 3 ist der Temperaturkühler 31 als Eng ausgebildet, welcher den Dauermagnetring 28 und die Rückschlußscheibe 29 der getriebenen Kupplungshälfte 23 umschließt. Der Ringfühler 31 stellt daher einen direkten Kurzschluß im magnetischen Kreis der, solange er selbst magnetisch leitend ist. Dies ist unterhalb der Curistemperatur der Fall, welche beispielsweise bei etwa 90°C liegen kann. Wird dieser Punkt erreicht oder überschritten, so wird der Temperaturkühler 31 magnetisch nichtleitend. Die magnetische Energie kann dann zur leitenden Scheibe 25 ungehindert hindurchtreten, so daß eine maximale synchrone Mitnahme stattfindet.
• Fig. 4 zeigt, daß der Ringfühler 31 auch nurden Dauermagnetring 28 umschließen kann, während die Rückschlußplatte 29 axial über den Ringfühler 31 hinausragt.
• Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 umschließt der Ringfühler 31 den elektrisch leitende Scheibe 25 und die weichmagnetische Rückschlußscheibe 26 der antriebsbenden Kupplungshälfte 22. Im magnetischen Kreis bildet der Ringfühler 31 hierbei ein in Serie geschaltetes oder Reihenelement, dessen magnetischer Widerstand bzw. dessen magnetische Leitfähigkeit die Kraftflußdichte bestimmt.
• Eine kombinierte Anordnung ist in Fig. 6 gezeigt. Dort hat sowohl die antreibende Kupplungshälfte 22 einen Ringfühler 31 als auch die angetriebene Kupplungshälfte 23 einen Ringfühler 31'. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel umschließen beide Ringfühler 31, 31' die ihnen zugeordneten Elemente ihrer Kupplungshälfte. Es ist aber festzuhalten, daß es genügen würde, einen Ringfühler 31 bzw. 31' auch nur eines dieser Elemente umgeben zu lassen, etwa nach Art der Anordnung gemäß Fig. 4. Man erkennt ferner aus Fig. 6, daß die geometriesche Form des Ringfühlers 31 oder auch 31' den verschiedensten Bedürfnissen angepaßt werden kann. Die gezeichneten Fälle von Rechteck- und Dreieckquerschnitt lassen sich daher beliebig abwandeln.
• Fig. 7 zeigt eine mögliche konstruktive Ausführung einer erfindungsgemäßen Magnetkupplung 21, welche im Prinzip der Anordnung gemäß Fig. 3 entspricht und mit einem Lüfter 32 verbunden ist. Auf der Welle 24 der starr angetriebenen Nabe 33, beispielsweise einer Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges, sind Kugellager 42 angeordnet. Der Außenring der Kugellager 42 bildet, wie gestrichelt angedeutet, praktisch die Antriebswelle 27 der getriebenen Kupplungshälfte 23. letztere weist ein Gehäuse 43 auf, das beispielsweise aus Aluminium oder einer Leichtmetallegierung besteht und denDauermagnetring 28, die Rückschlußscheibe 29 und einen die Elemente 28, 29 umschließenden Ringfühler 31 aufnimmt.
• Das Gehäuse 43 weist am Außenumfang Schufelrippen 36 auf, die den Wärmeübergang zum Ringfühler 31 verbessern.
• Die angetriebene Kupplungshälfte 22 ist als Wirbelstromelement ausgebildet. Dem Dauermagnetring 28 sowie dem Ringfühler 31 gegenüber ist die elektrisch gut leitende Scheibe 25 angeordnet, welche auf ihrer Rückseite, das heißt in Richtung zu einer durch dicke Pfeile 19 angedeuteten Kaltluftströmung, die der Rückschlußscheibe 26 im Wärmekontakt verbunden ist. Die Rückschlußscheibe 26 ist auf der antreibenden Welle 24 bzw. im Innenring des Kugellagers 42 durch eine Befestigungsmutter 45 drehfest gehaltert. Außerdem ist die Rückschlußscheibe 25 einstückig mit Strömungs- bzw. Kühlrippen 37, die von der Kaltluftströmung 19 direkt; angeströmt werden. Im schrägen, rippenlosen Innendurchmesser weist die Rückschlußscheibe 26 Aussparungen 45 auf, durch welche die Kaltluftströmung 19 zwischen die beiden Kupplungshälften 22, 23 eintreten kann.
• Der überstehende Rand der Wirbelstromscheibe 25 weist klei.
• ne, direkt in der Kühlluftströmung 19 liegende Schaufelrippen 36 auf. Die Lüfterflächen 34 des Lüfters 32 können in einem Anstellwinkel zum Radius des Lüfters 32 angeordnet sein. Diesem gegenüber steht ein Begrenzungsring 44, der die Luftströmung aufnimmt.
• Die Ausführung gemäß Fig. 8 entspricht weitgehend dem Aufbau der Anordnung nach Fig. 7. lüf, der Seite der antreibenden Kupplungshälfte 22 ist bei der Anordnung gemäß Fig. 8 ein Ringfühler 31 vorhanden, der die Rückschlußscheiben 26 umschließt, also anströmseitig nahe dem Außenumfang der Wirbelastromscheibe 25 an dieser anliegt. Auch die getriebene Kupplungshälfte 23 ist mit einem Ringfühler 31' versehen, der im Wärmekontakt mit einem Gehäuse 35 steht, das einstückig mit dem Halterungsgehäuse 43 für den Dauermagnetring 28 und die Rückschlußplatte 29 ist. Das äußere Gehäuse 35 weist Leitflächen 50 auf und bildet einen Umlenkring für eine schematisch mit Doppelpfeil 20 eingezeichnete Warmluftströmung, die durch einen Rohrstutzen 46 im Begrenzungsring 44 zugeleitet wird, z. B. vom Kraftfahrzeugmotor her.
• Auch die Ausführungsform gemäß Fig. 9 ähnelt der Anordnung nach Fig. 4. Die angetriebene Kupplungshälfte weist hier jedoch statt der Wirbelstromscheibe und der weichmagnetischen Rückschlußscheibe eine Hysteresescheibe 39 auf, die an einem zentrischen Weicheisenring 47 befestigt ist. Anströmseitig ist eine Kupferscheibe 48 angeordnet, welche die Kühlrippen 37 sowie die Schaufleflächen 38 trägt. Eine derartige, beispielsweise etwa schalenförmige Kupferscheibe 48 kann ebenso bei der Ausführung gemäß Fig. 8 anströmseitig vor der Rückschlußscheibe 26 und der Wirbelstromscheibe 25 vorgesehen sein.
• Fig. 10 und 11 zeigen Schnittansichten der antreibenden Kupplungshälfte 22 einer als kombinierte Hysterese-/Wirbelstrom-Kupplung ausgebildeten erfindungsgemäßen Magnetkupplung 21. Die Ausführungsform gemäß Fig. 10 ist für Asynchronitäten von beispielsweise etwa 2000 U/min geeignet. Die mit den Kühlrippen 37 einstückige Eisenrückschlußscheibe 26 trägt auf eine Grund 49 die Wirbelstromscheibe 25, vor der sich noch eine d1nne Hysteresescheibe 39 befindet. Hiervon unterscheidet sich die Ausführung gemäß Fig.
• 11 noch dadurch, daß die Rückschlußscheibe 26 - statt selbst mit den Kühlrippen 37einstückig zu sein - von einer topfförmigen pferscheibe 48 umschlossen ist, welche ihrerseits einstückig mit den Strömungsrippen 37 ist. Am Umfang ist die Kupferscheibe 48 mit der Wirbelstromscheibe 25 verlötet. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders intensive Ableitung der Hysterese- bzw. Wirbelstromwärme, so daß auch bei Asynchronitäten von über 2000 U/min eine ausreichende Kühlung sichergestellt ist.
• Die Bemessung der Kupplungsteile unterliegt den jeweiligen Bedürfnissen. Zur Verwendung als oder für lüfter von Kraftfahrzeugmotoren genügen erfindungsgemäße Magnetkupplungen 21, deren Außendurchmesser in der Größenordnung von 100 mm liegt. Dor Aufbau kann daher außerordentlich kompakt sein, ohne daß die Funktion der temperaturabhängig steuerbaren Magnetkupplung 21 im geringsten beeinträchtigt würde.
• Beispiele für nach dem Erfindungsprinzip erreichbare Kennlinien sind in Fig. 12 dargestellt. Die Kennlinien 16, 17 und 18 geben an, in welchem Umfange Anweichungen von einer Granzlinie 15 auftreten. Man sicht, daß die Abtriebedrehzahl n2 bei einer starren Antriebsverbindung stets gleich der Antriebsdrehzahl n1 wäre, was durch die Gerade 15 dargestellt ist. Die Kurven 16a und 16b gelten für erfindungsgemäße Wirbelstromkupplungen, und zwar die Kurve 16a für eine Kupferdicks von 1 mm und die Kurve 16b für eine Kupferdicke von 3 mm. Die Kurven 17 geben den Kennlinienverlauf einer erfindungsgemäßen Hysteresekupplung wieder und zwar die Kurve 17a für Hysteresescheiben von 4 mm Dicke und die Kurve 17b für Hysteresescheiben von 1 mm Dicke.
• Aus den Kurven 18 ersieht man, daß durch die erfindungsgemäße Kombination von Hysterese- mit Wirbelstromscheiben auch Zwischenbereiche realisierbar sind. Die Kurve 18a entspricht einer Mischkupplung, deren Hysteresescheibe 1 mm und deren Wirbelstromscheibe 3 mm dick ist. Die Kurve 13b zeigt den Verlauf einer Kennlinie, welche eine Mischkupplung mit einer Hysteresescheibe von beispielsweise 2,5 mm und einer Kupferscheibe von 1,5 mm besitzt. Des Diagramm der Fig. 12 ;eigt augenfällig, daß sich mit der erfindungsgemäßen Magnetkupplung außerordentlich große Asynchronistäten #n 3 n1 - n2 erzielen lassen, die beispielsweise bei einer Antriebsdrehzahl n1 » 8000 U/min ia der Größenordnung von 2000 bis 6000 U/Min liegen können.
• Wenngleich vorstehend die erfindungsgemäße Kupplung anhand von Anwendungen als oder für Kühllüfter beschrieben wurde, ist festzuhalten, daß auch der Einsatz bei Warmströmungen, z. B. als oder für Warmlftgebläse, mit entsprechenden Vorteilen in Betracht kommen kann. Zweckmäßig wird als Werkstoff des Temperaturfühlers in diesem Falle ein Thermoferrit mit tief, jedenfalls unter der Soll-Betriebstemperatur liegendem Curiepunkt; gewählt.
• Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung einschließlich konstruktiver Einselheiten, Verfahrensschritte und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich ein.

Claims (14)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Magnetkupplung zur Übertragung von Drehmomenten mit einer angetriebenen und einer temperaturabhängig mitgenommenen Kupplungshälfte, deren eine einen mehrpoligen Dauermagnetring mit Rückschlußplatte aufweist, welcher auf ein elektrisch und/oder magnetisch leitendes Element, insbesondere eine Scheibe der anderen Kupplungshläfte einwirkt, dadurch g e k e n n s e i c h n e t , daß" wonigstens eine Kupplungshälfte (z.B. 22) einen im Betrieb einem Strömungsmedium (19) ausgesetzten Temperaturfühler (31) aus einem weichmagnetischen, unmagnetisierbaren Werkstoff, beispielsweise einem Thermoferrit, aufweist.

2. Magnetkupplung nach Anspruch 1, zur Verwendung vor allem als oder für Lüfter, dadurch g 8 k e n n ß e 1 c h n e X, daß der Temperaturfühler (31) als Kurzschluß im magnetischen Kreis ausgebildet bzw. angeordnet ist.

3. Magnetkupplung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß sie die Nabe (33) eines Lüfters (32) bildet oder in einer solchen derart angeordnet ist, daß der Temperaturfühler (31) im Betrieb direkt von den Strömungsmedium (19) angeströmt ist.

4. Magnetkupplung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e -k e n n ß e i c h n e t , daß die den Dauermagnetring (28) aufweisende Kupplungshälfte (23) drehfest mit dem Lüfter (32) verbunden ist, insbesondere selbst Lüfterflächen (34) trägt, und daß die andere Kupplungshälfte (22) starr mit der Antriebswelle (24) verbunden ist.

5. Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Temperaturfühler (31) als am Umfang des Dauermagnetringes (28) anliegender Ring ausgebildet ist.

6. Magnetkupplung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Ringfühler (31) in einem ein weiteres Strömungsmedium (20) umlenkenden Gehäuse (35) gefaßt ist.

7. Magnetkupplung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, , daß der Ringfühler (31) sein Gehäuse (35) und/oder des Halterungsgehäuses (43) für den Dauermagnetring (28) an äußeren Umfang mit Schaufelrippen (36) versehen ist.

8. Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das den Dauermagnetring (28) gegenüberstehende, elektrisch oder magnetisch leitende Element (25) der anderen Kupplungshälfte (22) Strömungsrippen (37) aufweist.

9. Magnetkupplung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß die Strömungsrippen (37) enstückig mit dem leitenden Element (25) oder mit einer Rückschlußscheibe (26) sind.

10. Magnetkupplung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Rand des leitenden Elementes (25) Schaufelflächen (38) trägt.

11. Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 10. dadurch g e k e n n ß e i c h n e s t , daß Wenigstens die einem Strömungsmedium (19) ausgesetzte oder zugewandte Kupplungshälfte (22) Aussparungen (41) zum Durchtritt des Strömungsmediums (19) aufweist.

12. Magnetkupplung insbesondere nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß daß leitende Element (25) ein Wirbelstromscheibe ausgebildet ist, vor der den Dauermagnetring (28) zugewandt eine Hysterasescheibe (39) angeordnet ist, vorzugsweise im Wärmekontakt zu ihr.

13. Magnetkupplung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen den beiden Kupplungshälften (22, 23) in an sich bekannter Weise eine Trennwand (40) aus nichtmagnetisierbaren Werkstoff angeordnet ist.

14. Magnetkupplung wenigstens nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß jede der Kupplungshälften (22, 23) drehfest mit einem Lüfter verbunden ist, insbesondere selbst Lüfterflächen trägt.

L e e r s e i t e