DE19917667A1 - Elektromagnetische Hystereseeinheit - Google Patents
Elektromagnetische HystereseeinheitInfo
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Abstract
Die Erfindung geht von einer elektromagnetischen Hystereseeinheit (1, 23) mit magnetischen Nordpolen (4) aus, die zu magnetischen Südpolen (5) in einem Abstand in Umfangsrichtung (15) um eine Rotationsachse (14) und abwechselnd zu diesen an einem Magnetkörper (2, 3) angeordnet sind. Der Magnetkörper (2, 3) umfaßt eine Magnetspule (6). Ein mit einem Rotor (17) verbundener Hysteresering (16) ist mit einem geringen Spiel zu den Polen (4, 5) bewegbar. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß die Umfangsflächen der Nordpole (4) und Südpole (5) auf demselben Kreis und gegenüber derselben Umfangsfläche des Hystereserings (16) liegen. Dadurch entsteht radialer Bauraum, um den Hysteresering (16) in den Rotor (17) aus gut wärmeleitendem Material einzubetten und gegebenenfalls Kühlrippen vorzusehen.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Hyste
reseeinheit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Unter elektromagnetischen Hystereseeinheiten werden im
folgenden Hysteresebremsen und Hysteresekupplungen verstan
den. Die Arbeitsweise von Hystereseeinheiten beruht auf
einer magnetischen Kraftwirkung sich anziehender Pole im
Synchronlauf und auf einem ständigen Ummagnetisieren eines
magnetisch halbharten Materials, nämlich eines Hysterese
rings, im Schlupfbetrieb.
Die bekannteste Bauart solcher Hystereseeinheiten be
steht aus einem Magnetkörper mit einer Erregerspule und je
einem äußeren und inneren Polring mit axial ausgerichteten,
aufgeprägten Weicheisenpolen gleicher Anzahl und Teilung,
wobei die äußeren Pole gegenüber den inneren Polen im
Stillstand oder beim Synchronlauf jeweils um eine halbe
Teilung in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind und
eine entgegengesetzte Polarisierung haben. Im radialen Zwi
schenraum dieser Polringe kann der Hysteresering als dünn
wandiges, glockenförmiges Bauteil ohne Berührung rotieren.
Bei stromdurchflossener Magnetspule entsteht zwischen
den Polen mit entgegengesetzter Polarität ein im wesentli
chen radial gerichtetes Magnetfeld. Der Polyersatz bewirkt
jedoch eine wechselweise tangentiale Umlenkung des Magnet
flusses im Hysteresering und damit ein permanentes Ummagne
tisieren aller Elementarmagnete, wenn sich der Hysterese
ring relativ zum Magnetkörper dreht. Daraus resultiert ein
Moment, welches nur vom Erregerstrom abhängt. Es kann gere
gelt und gesteuert werden, indem der Erregerstrom entspre
chend verändert wird. Solche Hystereseeinheiten sind als
Kupplung z. B. aus der US 24 88 827 bekannt. Dabei ist der
Hysteresering radial zwischen zwei Teilen eines drehbaren
Magnetkörpers angeordnet, die durch eine Scheibe aus nicht
magnetisierbarem Material verbunden sind.
Ferner ist aus der DE 197 05 290 A1 eine Hysterese
bremse bekannt, bei der ein Hysteresering einen geschlosse
nen Magnetring aus Permanentmagnetmaterial umgibt, dessen
dem Hysteresering zugewandte Oberfläche mit einer Vielzahl
am Umfang eingeprägter Pole mit einer abwechselnd entgegen
gesetzten Polarität versehen ist. Der Magnetring ist seg
mentweise radial durchmagnetisiert und mit einem Weich
eisenmagnetkörper verbunden. Der Hysteresering läuft in
einem ringförmigen Luftspalt zwischen dem Magnetring und
einem Einstellring mit einem geringen radialen Spiel zum
Magnetring. Das übertragbare Drehmoment ist durch eine
axiale Verschiebung des Einstellrings einstellbar.
Der Hysteresering ist im allgemeinen aus einem Materi
al mit einer geringen Wandstärke gefertigt und mit einem
rotierenden Bauteil verbunden. Demgegenüber sind die mit
einer größeren Masse behafteten Teile, z. B. die Magnetspu
le, der Magnetkörper usw. mit dem Gehäuse verbunden. Im
Falle einer Hysteresekupplung wird ein Teil des Magnetkör
pers von einem Rotor und einer mit diesem verbundenen Mag
netflußleitscheibe gebildet, die mit einem geringen Spiel
zum Magnetkörper rotieren.
Wegen der Luftspalte zwischen dem Hysteresering und
den Polringen wird das Drehmoment berührungslos übertragen.
Dabei erzeugen Bremsen sowohl im Schlupfbetrieb ein Brems
moment als auch im Stillstand ein Haltemoment, so daß das
abgebremste Bauteil auch in einer abgebremsten Position
gehalten werden kann. Hysteresekupplungen übertragen sowohl
Drehmomente im Synchronbetrieb, bei dem die gekupppelten
Bauteile eine gleiche Drehzahl haben, als auch im Schlupf
betrieb, bei dem die zu kuppelnden Bauteile noch eine Dreh
zahldifferenz aufweisen. Die übertragbaren Momente sind nur
vom Strom in der Erregerspule abhängig und können bis zu
einem typenbezogenen, zulässigen Maximalwert stufenlos ein
gestellt werden.
Die im Schlupfbetrieb entstehende Verlustleistung
heizt den dünnwandigen Hysteresering sehr schnell auf. Die
Wärme kann nur sehr schlecht über die geringen Material
stärken des Hystereserings an die angrenzenden Bauteile
abgeleitet werden, um von dort durch weitere Wärmeleitung
und Konvektion abgeführt zu werden. Damit ist einerseits
die zulässige Dauerschlupfleistung und andererseits die
kurzzeitig aufnehmbare Schlupfarbeit sehr begrenzt.
Solche Hystereseeinheiten werden u. a. zur Zugkraftre
gelung für die Verarbeitung von gezogenen Endlosprodukten,
wie z. B. Draht, Kabel, Seile, Folien, Papier, Fäden usw.
verwendet. Sie werden auch für Bremsmomentregelsysteme und
für eine Belastungssimulation eingesetzt, wie z. B. für
Prüfstände, Ergometer usw.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im
Schlupfbetrieb kurzzeitige und auch dauernde thermische
Belastbarkeit einer Hystereseeinheit zu verbessern. Sie
wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1
gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Un
teransprüchen.
Nach der Erfindung liegen die Umfangsflächen der Nord
pole und Südpole auf demselben Kreis, dessen Mittelpunkt
auf der Rotationsachse liegt. Ferner liegen sie gegenüber
derselben Umfangsfläche des Hystereserings. Dadurch kann
der Hysteresering an einer Umfangsfläche mit einem geringen
Abstand zu den Magneten laufen, während er an der anderen
Umfangsfläche in einen Rotor aus gut wärmeleitendem Materi
al eingebettet ist, der zudem noch Kühlvorrichtungen auf
weisen kann, z. B. in Form von Kühlrippen. Somit ist ge
währleistet, daß die anfallende Wärme gut abgeführt wird
und über eine längere Zeit hohe Schlupfdrehmomente übertra
gen werden können.
Zweckmäßigerweise umgibt der Hysteresering die Nordpo
le und die Südpole, so daß er mit den angrenzenden Rotor
teilen am äußeren Umfang der Hystereseeinheit liegt. Da
durch ergeben sich zum einen große Wärmeabstrahlungsflä
chen, zum anderen erzeugt der Rotor in diesem Bereich
selbst eine große Luftbewegung, die die Konvektion begün
stigt. Im Umfangsbereich des Rotors werden zweckmäßigerwei
se Kühlrippen angeordnet, die sowohl axial als auch in Um
fangsrichtung ausgerichtet werden können und durch Schlitze
unterbrochen sein können.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Pole
von Polfingern gebildet, die ausgehend von axialen Stirn
wänden des Magnetkörpers aufeinander zugerichtet sind und
voneinander einen größeren Abstand haben als vom Hysterese
ring, so daß der Magnetfluß von einem Nordpol zu einem Süd
pol über den Hysteresering führt. Dabei können sich die
Polfinger in vorteilhafter Weise in Umfangsrichtung über
lappen.
Die Polfinger, die im wesentlichen axial verlaufen,
verjüngen sich zu ihrem freien Ende hin in axialer Richtung
und/oder in Umfangsrichtung. Dadurch werden Material und
Gewicht eingespart und ein guter Magnetfluß erreicht.
Der Magnetkörper kann mit seinen Polfingern leicht
hergestellt werden, wenn er in einer radialen Ebene geteilt
ist, wobei die einzelnen Teile des Magnetkörpers jeweils
die Polfinger einer Polarität erhalten. Ein Zentrierring
zentriert die beiden Teile des Magnetkörpers gegeneinander,
die üblicherweise durch Schrauben miteinander verbunden
sind.
Um die rotierenden Massen klein zu halten, ist es vor
teilhaft, den Magnetkörper mit der Magnetspule gehäusefest
anzuordnen und einen Freiraum zwischen den Polfingern für
eine Stromzuführung zu nutzen.
Um die Stabilität der Polfinger zu vergrößern sowie
Schwingungen und Strömungsgeräusche zu vermeiden, ist es
zweckmäßig, daß die Polfinger durch einen nicht magneti
sierbaren Werkstoff miteinander verbunden sind. Wenn dieser
Werkstoff gut wärmeleitend ist, vorzugsweise Messing, kann
er gleichzeitig dazu dienen, die anfallende Wärme gleichmä
ßig zu verteilen und nach außen abzuführen. Dabei kann der
Werkstoff in vorteilhafter Weise als Füllmasse in die Zwi
schenräume zwischen den Polfingern eingebracht oder durch
einen Verbindungsring gebildet werden, auf den die Polfin
ger aufgeschrumpft sind.
Wird die Hystereseeinheit als Kupplung ausgebildet,
wird ein äußerer Teil des ersten Magnetkörpers zweckmäßi
gerweise durch einen Ringspalt getrennt und über den nicht
magnetisierbaren Werkstoff mit dem zweiten Magnetkörper
verbunden. Der Rest des ersten Magnetkörpers wird mit der
Spule gehäusefest montiert, während der zweite Magnetkörper
auf einem zu kuppelnden Bauteil sitzt und mit einem gerin
gen Spalt zum ersten Magnetkörper drehbar gelagert ist. Ein
zweites zu kuppelndes Bauteil ist drehfest mit dem Rotor
der Hystereseeinheit verbunden, der den Hysteresering
trägt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeich
nungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbei
spiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die
Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der
Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln
betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusam
menfassen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hysteresebrem
se,
Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie II-II
in Fig. 1,
Fig. 3 eine teilweise Abwicklung eines Hysterese
rings und einiger Polfinger nach Fig. 1,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Hysteresekupp
lung, wobei die obere Hälfte eine Ausführung
mit einem Verbindungsring und die untere
Hälfte eine Ausführung mit einem Füllmateri
al darstellt,
Fig. 5 eine teilweise Abwicklung eines Hysterese
rings und einiger Polfinger nach Fig. 4 obe
re Hälfte und
Fig. 6 eine teilweise Abwicklung eines Hysterese
rings und einiger Polfinger nach Fig. 4 un
tere Hälfte.
Die dargestellte Hystereseeinheit ist eine Hysterese
bremse 1. Sie besitzt einen geteilten Magnetkörper 2, 3,
der eine Magnetspule 6 umfaßt. Der Magnetkörper ist in ei
ner Radialebene geteilt. Seine beiden Teile 2 und 3 werden
durch einen Zentrierring 8 gegeneinander zentriert und
durch Schrauben 9 miteinander verbunden. Der Magnetkör
per 2, 3 besteht aus Weicheisen und besitzt an seinem äuße
ren Umfang Polfinger 4, 5, die sich im wesentlichen axial
erstrecken und alternierend an dem Teil 2 bzw. Teil 3 des
Magnetkörpers angeformt sind.
Wird die Magnetspule 6 über eine Stromzuführung 7 be
stromt, bilden die Polfinger 4 im gezeigten Ausführungsbei
spiel an dem Teil 2 des Magnetkörpers einen Nordpol, wäh
rend die Polfinger 5 an dem Teil 3 des Magnetkörpers Südpo
le bilden. Der Magnetkörper 2, 3 ist gehäusefest montiert.
Dadurch kann die Stromzuführung 7 in einfacher Weise durch
einen der Freiräume 19 verlegt werden, die zwischen den
Polfingern 4, 5 gebildet werden.
Im Magnetkörper 2, 3 ist über Kugellager 10, 11 eine
Welle 12 gelagert, die um eine Rotationsachse 14 rotiert.
Die Welle 12 trägt an ihren Enden Paßfedern 13, über die
von rotierenden, nicht näher dargestellten Bauteilen ein
Drehmoment auf die Welle 12 übertragen werden kann. Auf der
Welle 12 sitzt fest ein Rotor 17, in dem ein Hysterese
ring 16 aus magnetisch halbhartem Material eingebettet ist.
Die Welle 12 ist zwischen einem Bund 22 am Rotor 17 und
einem Sicherungsring 21 axial fixiert, der in die Welle 12
eingelassen ist. Der Rotor 17 selbst ist aus einem gut wär
meleitfähigen Material hergestellt und kann Kühlvorrichtun
gen in Form von Kühlrippen 18 tragen, um die Wärmeableitung
und Konvektion zu verbessern. Die Kühlrippen 18 können in
Umfangsrichtung oder axial verlaufen und Einschnitte
und/oder Bohrungen aufweisen.
Fig. 2 zeigt, daß der Abstand der Polfinger 4, 5 un
tereinander größer ist, als der Abstand der Polfinger 4, 5
zum Hysteresering 16. Dadurch wird der Hysteresering 16
entsprechend dem Magnetfluß 20 durchflutet. Bei einer Rela
tivbewegung des Hystereserings 16 in Umfangsrichtung 15 zum
Magnetkörper 2, 3 werden die erzeugten Elementarmagnetzonen
im Hysteresering 16 umpolarisiert, wodurch ein beträchtli
ches Drehmoment übertragen werden kann. Dieses Drehmoment
ist in erster Linie von der Stromstärke abhängig, die durch
die Magnetspule 6 fließt. Aufgrund der Verlustleistung im
Schlupfbetrieb, die durch die Ummagnetisierung des Hystere
serings 16 entsteht, fällt in diesem eine große Wärmemenge
an. Diese wird allerdings über den Rotor 17 abgeleitet und
an die Umgebung abgegeben, so daß gegenüber bekannten Hy
stereseeinheiten größere Drehmomente im Schlupfbetrieb
übertragen werden können, ohne daß eine Überhitzung der
Hysteresebremse zu befürchten ist.
Die Hystereseeinheit 23 nach Fig. 4 ist eine Kupplung.
Sie unterscheidet sich von der Hystereseeinheit 1 nach
Fig. 1, die als Bremse ausgebildet ist, dadurch, daß der
erste Magnetkörper 2, der gehäusefest montiert ist, einen
äußeren Teil 25 besitzt, der durch einen schmalen Ring
spalt 26 von dem übrigen ersten Magnetkörper 2 getrennt ist.
Der äußere Teil 25 ist über einen Verbindungsring 27 aus
einem nicht magnetisierbaren Werkstoff, vorzugsweise Mes
sing, mit dem zweiten Magnetkörper 3 verbunden, indem er
mit seinen Polfingern 4 und der zweite Magnetkörper 3 mit
seinen Polfingern 5 auf den Verbindungsring 27 aufge
schrumpft sind (obere Hälfte von Fig. 4 und Fig. 5). Der
Verbindungsring 27, der auch bei einer Hystereseeinheit 1
nach Fig. 1 angewendet werden kann, gibt der Hystereseein
heit 23 eine große Stabilität und dient gleichzeitig zur
besseren Wärmeverteilung und Wärmeableitung.
Der zweite Magnetkörper 3 sitzt auf einem zu kuppeln
den Bauteil und ist drehbar zum ersten Magnetkörper 2 gela
gert, von dem er durch den Ringspalt 26 und durch einen
Spalt 29 getrennt ist. Das andere zu kuppelnde Bauteil ist
drehfest mit dem Rotor 17 verbunden, in den der Hysterese
ring 16 eingelassen ist. Der Rotor 17 besitzt am äußeren
Umfang Rillen 24, um die Oberfläche zu vergrößern und da
durch die Wärme besser abzuführen. Der Rotor 17 kann an
seinem Umfang gleichzeitig als Riemenscheibe für einen An
trieb ausgebildet sein.
Bei der Variante nach der unteren Hälfte von Fig. 4
und nach Fig. 6 sind die Zwischenräume zwischen den Polfin
gern 4, 5 mit einer nicht magnetisierbaren Füllmasse 28
ausgefüllt, die die Verbindung zwischen dem äußeren Teil 25
des ersten Magnetkörpers 2 und dem zweiten Magnetkörper 3
herstellt. Die Füllmasse 28 wird zweckmäßigerweise durch
eine Guß- oder Einschmelztechnik in die Zwischenräume ein
gebracht.
1
Hystereseeinheit
2
erster Magnetkörper
3
zweiter Magnetkörper
4
Polfinger, Nordpol
5
Polfinger, Südpol
6
Magnetspule
7
Stromzuführung
8
Zentrierring
9
Schraube
10
Kugellager
11
Kugellager
12
Welle
13
Paßfeder
14
Rotationsachse
15
Umfangsrichtung
16
Hysteresering
17
Rotor
18
Kühlrippen
19
Freiraum
20
Magnetfluß
21
Sicherungsring
22
Bund
23
Hystereseeinheit
24
Rille
25
äußere Teil
26
Ringspalt
27
Verbindungsring
28
Füllmasse
29
Spalt
Claims (14)
1. Elektromagnetische Hystereseeinheit (1, 23) mit
magnetischen Nordpolen (4), die zu magnetischen Südpo
len (5) in einem Abstand in Umfangsrichtung (15) um eine
Rotationsachse (14) und abwechselnd zu diesen an einem Ma
gnetkörper (2, 3) angeordnet sind, der eine Magnetspule (6)
umfaßt, wobei mit einem geringen Spiel zu den Polen (4, 5)
ein mit einem Rotor (17) verbundener Hysteresering (16) be
wegbar vorgesehen ist, dadurch gekennzeich
net, daß die Umfangsflächen der Nordpole (4) und Süd
pole (5) auf demselben Kreis und gegenüber derselben Um
fangsfläche des Hystereserings (16) liegen.
2. Hystereseeinheit (1, 23) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Hysteresering (16)
die Nordpole (4) und die Südpole (5) umgibt.
3. Hystereseeinheit (1, 23) nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pole von Polfingern (4, 5) gebildet werden, die
ausgehend von axialen Stirnwänden des Magnetkörpers (2, 3)
aufeinander zu gerichtet sind und voneinander einen größe
ren Abstand haben als vom Hysteresering (16).
4. Hystereseeinheit (1, 23) nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Polfinger
(4, 5) in Umfangsrichtung (15) überlappen.
5. Hystereseinheit nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich die Polfinger (4, 5)
zu ihrem freien Ende hin in axialer Richtung und/oder in
Umfangsrichtung (15) verjüngen.
6. Hystereseeinheit (1, 23) nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hysteresering (16) in dem Rotor (17) eingebettet
ist, der aus einem gut wärmeleitenden Material besteht.
7. Hystereseeinheit (1, 23) nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rotor (17) Kühlvor
richtungen (18) aufweist.
8. Hystereseeinheit (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Magnetkörper (2, 3) im Bereich der Magnetspule (6) ra
dial geteilt ist, wobei die beiden Teile (2, 3) über einen
Zentrierring (8) gegeneinander zentriert und miteinander
verbunden sind.
9. Hystereseeinheit (1, 23) nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetkörper (2) gehäusefest angeordnet ist und die
Stromzuführung (7) durch einen Freiraum (19) verlegt ist,
der zwischen den Polfingern (4, 5) gebildet wird.
10. Hystereseeinheit (1, 23) nach einem der Ansprü
che 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Polfinger (4, 5) durch einen nicht magnetisierbaren
Werkstoff miteinander verbunden sind.
11. Hystereseeinheit (1, 23) nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Werkstoff gut wär
meleitend ist, vorzugsweise Messing.
12. Hystereseeinheit (1, 23) nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Polfin
ger (4, 5) auf einem Verbindungsring (27) aufgeschrumpft
sind.
13. Hystereseeinheit (1, 23) nach einem der Ansprü
che 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenräume zwischen den Polfingern (4, 5) mit
einer nicht magnetisierbaren Füllmasse (28) ausgegossen
sind.
14. Hystereseeinheit (23) nach einem der Ansprüche 10
bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie
als Kupplung ausgebildet ist, indem ein äußerer Teil (25)
mit den Polfingern (5) des Magnetkörpers (2) durch einen
dünnen Ringspalt (26) von diesem getrennt ist und der zwei
te Magnetkörper (3) mit einem geringen Spalt (29) drehbar
zum ersten Magnetkörper (2) auf einem zu kuppelnden drehba
ren Bauteil sitzt, während der erste Magnetkörper (2) ge
häusefest montiert ist.
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Effective date: 20141101 |