DE2223858A1 - Veränderliche Wirbelstromkupplung - Google Patents

Description

Tetefon 56 17 64 7044 - V

Ets. E. Ragonot Malakoff Bl. Gabriel Peri 7-15 (Frankreich)

πVeränderliche Wirbelstromkupplung"

Priorität vom 18. Mai 1971 aus der französischen Patentanmeldung 71/17 980

Die Erfindung betrifft eine veränderliche Wirbelstromkupplung und richtet sich insbesondere auf mit Wirbelströmen arbeitende elektromagnetische Kupplungen des Typs, bei dem eine feste Erregerspule in einen Stator montiert ist, der zwei koaxiale Rotoren umgibt. Bei diesen bekannten Aufbauformen ist einer der Rotoren, vorzugsweise der gezahnte Rotor,fest mit der geführten bzw. Abgangswelle verbunden, während der zweite Rotor, oder auch glatte Rotor, fest mit der führenden bzw. Eingangswelle verbunden ist; eine Verlängerung der Eingangswelle befindet sich innerhalb des gezahnten Rotors, gegenüber dem diese durch zwei Kugellager gehalten wird, die eine koaxiale Ausrichtung der beiden Rotoren gewährleisten. Die Einheit ist in der Form aufgebaut, daß der von der Spule erzeugte magnetische Fluß einen aktiven Luftspalt in der Zone durchläuft, in der die Wirbelströme auftreten, wobei der magnetische Fluß darüber hinaus noch zwei passive Luftspalte durchläuft. Die Verzahnung des ersten Rotors befindet sich in der Zone des aktiven Luftspaltes gegenüber einem glatten Teil des zweiten Rotors. Dieser glatte Teil wird im allgemeinen durch einen Stahlring hoher magnetischer Permeabilität gebildet. Der Rotor kann mit Rippen versehen sein, die zur Kühlung durch Zentrifugalbelüftung dienen.

Veränderliche Kupplungen dieses Typs sind insbesondere in der französischen Patentschrift Nr. 1315 517 beschrieben, die von Mrs Elie COHEN und Szymon ROTH eingereicht wurde. Es gilt

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als selbstverständlich, daß die sich aus der Erfindung ergebenden Verbesserungen auf elektromagnetische Kupplungen gleicher allgemeiner Konzeption anwenden lassen.

In der Zielsetzung der Erfindung liegt die Leistungsverbesserung solcher Kupplungen hinsichtlich des Verhältnisses zwischen der Verlustleistung und der Masse sowie hinsichtlich der bei einer bestimmten Masse abgegebenen Leistung und zwar bei Beibehaltung bzw. Verbesserung der Merkmale einer einfachen Konstruktion und der Fähigkeit der Wärmeabgabe.

Die Masse (bzw. das Gewicht) einer Wirbelstromkupplung gegenüber einem bestimmten Lastmoment hängt im wesentlichen vom Wert des magnetischen Flusses ab, der zur Erreichung des vorgesehenen Moments erforderlich ist, sowie von den eingesetzten Vorrichtungen zur Auswertung dieses Flusses im aktiven Luftspalt.

Die Erfindung bezweckt darüber hinaus eine Anhebung der von der Kupplung umzusetzenden Leistung und zwar durch einen besonderen Aufbau der Zone des aktiven Luftspaltes.

In der Zielsetzung liegt gleichzeitig die Schaffung einer Kupplung mit einer erhöhten Wärmeabgabe durch eine besondere Kombination der zum Umlauf des Kühlmediums eingesetzten Orga-

Gemäß einem Wesenszug der erfindungsgemäß aufgebauten Kupplung läßt der innere Rotor zwei aktive Luftspalte jeweils zu beiden Seiten des Ringes hoher magnetischer Permeabilität des glatten Rotors entstehen.

Weitere Wesenszüge und Aufbauvarianten werden aus

der nachfolgenden, beispielhaft aufzufassenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlich. Es zeigen:

- Fig. 1 - ein Aufbaubeispiel einer erfindungsgemäßen, veränderlichen Wirbelstromkupplung;

- Fig. 2 - ein detailliertes Schema der in Fig. 1 gezeigten Kupplung, aus dem die aktive Luftspalt-Zone der Rotoren hervorgeht;

- Fig. 3 - eine vereinfachte, schematische Außenansicht einer er-

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findungsgemäßen Kupplung, aus der der radial gerichtete Umlauf der zur Kühlung verwendeten Umgebungsluft hervorgeht und

- Fig. 4 ein Teilschema einer Aufbauvariante mit drei aktiven Luftspalten.

Eine erfindungsgemäß aufgebaute, veränderliche Wirbelstromkupplung wird als Aufbaübeispiel in Figur 1 als Halbschnittdarstellung in koaxialer Form gezeigt.

Die Hauptelemente der Kupplung umfassen einen Stator 1, eine feststehende und im Stator montierte Erregerspule 2, einen gezahnten Rotor 3, der fest mit einer Welle 4 verbunden ist und einen glatten Rotor 5, der fest mit einer Welle 6 verbunden ist. Nach einer bevorzugten Aufbauform handelt es sich bei der Welle 4 um die führende bzw. Abgangswelle, die als Antriebselement gekoppelt ist und bei der Welle 6 um die geführte Welle bzw. Eingangswelle, die mit einem Motor gekoppelt ist. Der glatte Rotor, an dem die Erwärmung auftritt, kann somit mit hoher Geschwindigkeit angetrieben und in einfacherer Form gekühlt werden; bei dieser Anordnung können an diesem Rotor Rippen montiert werden, um eine Zentrifugalbelüftung zu ermöglichen. Hierbei ist zu bemerken, daß die Rotoren 3 und 5 ausgetauscht und damit auch die Funktionen der Wellen 4 und 6 vertauscht werden können. Die Einheit wird durch Abschluß-Lagerflansche 7 und 8 gehalten.. Diese Flansche sind mit radial verlaufenden öffnungen 26-27 ausgerüstet, die einen An- und Absaugvorgang an der Flanschseite 7 bzw. 8 eines Kühlmediums ermöglichen, das entsprechend der Darstellung der Figur 3, die als Außenansicht ein Ausführungsbeispiel zeigt, durch die umgebende Luft gebildet wird. Der untere Teil der Flanschelemente 7 und 8 ist in der Form ausgebildet, eine Befestigung der Anlage am Boden bzw. an einer flachen Auflage zu ermöglichen.

Die Eingangswelle 6 ist hohl ausgeführt und kann somit die Welle eines Antriebsorgans aufnehmen. Die Abgangswelle ermöglicht als Vollwelle nach erfolgter Kupplung den Antrieb einer Betriebsvorrichtung und zwar über die Wirbelstromkupplung, wobei

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die Drehzahl durch Einstellung des die Spule 2 speisenden Erregerstroms justiert werden kann. Aus Gründen der Vereinfachung wurde auf die Darstellung der Zusatzelemente, Antriebsmotor, Betriebsvorrichtung und Versorgungsschaltungen der Erregerspule verzichtet. Die dargestellte Form ist nur beispielhaft aufzufassen, wobei es sich bei der Eingangswelle 6 ebenfalls um eine Vollwelle handeln kann; auch kann die Anordnung eine hohle Abgangswelle aufweisen, die beispielsweise dazu dienen kann, die Eingangswelle eines Untersetzungsgetriebes aufzunehmen, das sich zwischen der Wirbelstromkupplung und der Betriebsvorrichtung befindet.

Die Erregerspule 2 ist über ein U-förmiges Halterungsgehäuse 9, das die Spule 2 aufnimmt, fest mit dem Stator verbunden. Durch das Halterungsgehäuse 9 ist der dünne Mittelteil des gezahnten Rotors 3 geführt, wobei die Abmessungen der Teile und 3 in der Form gehalten sind, daß eine ringförmige Aussparung 10 zwischen den sich gegenüberstehenden Oberflächen entsteht, wodurch wiederum ein Kühlluft-Umlauf ermöglicht wird. Der Stator 1 und die Rotoren 3 und 5 sind aus Magnetstahl gefertigt. Die Flanschteile 7 und 8 sowie das Halterungsgehäuse 9 bestehen demgegenüber aus einem Werkstoff geringer magnetischer Permeabilität, der jedoch eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt; diese Elemente können vorteilhafterweise aus einer Aluminiumlegierung gefertigt werden, die darüber hinaus eine geringe Dichte aufweist.

Der Stator 1 und der gezahnte Rotor 3 besitzen jeweils einen sich verjüngenden axialen Teil und ein starkes radiales Teil, woraus sich eine L-Form ergibt und bei der damit entstehenden Anordnung die Erregerspule 2 von einer praktisch rechteckigen Struktur umgeben wird, die zwei mit 11 und 12 bezeichnete, passive Luftspalte entstehen läßt. Der radial verlaufende Teil des Stators 1 besitzt Aussparungen wie z.B. 13, die kreisförmig angeordnet sind und zum Durchtritt der Kühlluft dienen. Der radial verlaufende Teil des gezahnten Rotors 3 weist am Rand eine Doppelverzahnung auf, von der eine mögliche Form in der Detaildarstellung 2 gezeigt ist, die einen entsprechenden Teilschnitt quer zur Rotationsachse bildet. Ein erster Kranz trägt

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Zähne 31 und Schlitze 32, die der inneren Oberfläche des Rings 51

des glatten Rotors 5 gegenüberstehen und einen ersten Luftspalt bilden. Ein zweiter Zahnkranz liegt zwischen dem Stator 1 und der äußeren Oberfläche des Rings 51 und besitzt Zähne 33 sowie Schlitze 34, die jeweils den Zähnen und Schlitzen des vorhergenannten, ersten Kranzes gegenüberstehen. Der Raum zwischen dem zweiten Kranz und dem Ring 51 bildet einen zweiten aktiven Luftspalt 15 und der zwischen diesem Kranz und dem Stator bildet einen passiven Luftspalt 12. Der zweite Kranz ist mechanisch mit dem Rotor 3 verbunden und zwar über radial verlaufende, mechanische Verbindungen, die an den Stellen der Schlitze öffnungen aufweisen, um einen axialen Umlauf der Kühlluft zu ermöglichen. Gemäß dem dargestellten Beispiel werden diese Verbindungen durch Arme bzw. Platten 16 gebildet, die an jedem Ende auf die jeweiligen Teile gelötet sind, wobei ihre Anzahl und Anordnung darauf abgestimmt sind, den erforderlichen mechanischen Halt zu gewährleisten. Eine weitere Ausführungsform besteht in einem mit Öffnungen versehenen Ring, wobei letzterer durch Lot-, Niet- oder Schraubverbindung angeschlossen wird. Bei einer weiteren Ausführungsform ergibt sich eine aus einem Stück bestehende Einheit des Rotors zusammen mit seinen Kränzen, die zuerst gegossen und anschließend zur genauen Bestimmung der Luftspaltdurchmesser nachbearbeitet wird. Die Verbindungen 16 können aus einem nicht magnetischen Werkstoff bzw. aus einem Magnetmetall unter der Bedingung bestehen, daß der den Kraftlinien des magnetischen Flusses gegenüberstehende Querschnitt geringgehalten wird und daß der Teil des somit abgeleiteten Flusses innerhalb dieser Verbindungen einige Prozent des die aktiven Luftspalte erreichenden Gesamtflusses nicht übersiireitet. Auf die Kosten der Anlage bezogen, ist die Verwendung von Magnetstahl mit Vorteilen η en.

stelle ist zu bemerken, daß die aktiven Luftspalte 14 und 15 auf den Betrieb bezogen völlig unabhängig voneinander sind und daß demzufolge die Anordnung einer Zahnreihe gegenüber der anderen Zahnreihe beliebig gewählt sein kann. Die vorgesehene Anordnung trägt in vorteilhafter Weise zur Herstellung der mechanischen Verbindungen 16 bei, die gegenüber den Schlitzen mit Aussparungen versehen sind. Allgemein gesagt, sind Form und

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Anzahl der Zähne jeder Zahnreihe sowie die jeweilige Anordnung der Zahnreihen zueinander frei gewählt; die Bestimmung dieser Kriterien kann insbesondere im Hinblick auf eine Veränderung des Moments in Abhängigkeit vom jeweils gewünschten Gleiten getroffen werden.

Der glatte Rotor 5 ist mit dem Ring 51 ausgerüstet, der axial angeordnet ist, wobei ein radial verlaufendes Trägerteil über eine Nabe auf die Eingangswelle 6 montiert ist. Das radial verlaufende Teil ist mit Aussparungen 17 versehen, die kreisförmig angeordnet sind und für den Kühlluftumlauf vorgesehen sind. Das radial verlaufende Teil und die Nabe können aus einer Leichtmetallegierung hergestellt werden, die hinsichtlich der magnetischen Permeabilität keine besonderen Voraussetzungen zu erfüllen braucht. Die kreisförmig auf dem radial verlaufenden Teil auf der Seite der Eingangswelle angeordneten Rippen 52 dienen während der Rotationsbewegung zur Erzeugung einer Zentrifugalbelüftung. Der glatte Rotor 5 ist über eine Keilverbindung bei 18 fest mit der Eingangswelle 6 verbunden.

Die Wellen 4 und 6 werden durch Lager19 und 20 gehalten, die zwischen diesen Wellen angeordnet sind und zwar in Verbindung mit den an den Endpunkten befindlichen Flanschteilen 7 und 8. Ein Lagerpaar 21 und 22 zwischen dem gezahnten Rotor 3 und einer Verlängerung der Eingangswelle 6 dient der koaxialen Ausrichtung der beiden Rotoren 3 und 5. Die Abgangswelle 4 ist über eine Schraubverbindung 23 fest mit dem inneren Rotor 3 ver-

^{un en}" Der durch Anlegen eines Erregerstromes an die kreisförmige Kernspule 2 erzeugte magnetische Fluß bewegt sich entlang eines Kraftlinienfeldes, das durch die mittlere, gestrichelte Linie 24 dargestellt wird. Dieser Fluß durchläuft die beiden passiven Luftspalte 11 und 12 zwischen Stator 1 und gezahntem Rotor 3 sowie die beiden aktiven Luftspalte 14 und 15 zwischen den glatten inneren und äußeren Teilen des Rings 51 des Rotors 5 sowie die entsprechenden Verzahnungen 31-32 und 33-34 des Rotors 3.

Wird der glatte Rotor 5 über die Welle 6 in eine Rotationsbewegung versetzt und wird damit gleichzeitig die Spule

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gespeist, so entstehen am Ring 51 zwei Wirbelstrompaare, die auf den glatten inneren und äußeren Flächen gegenüber den Verzahnungen induziert werden. Jedes Wirbelstrompaar bzw. jede Gruppe der induzierten Ströme trägt zur Bildung eines Moments bei, das den gezahnten Rotor 3 und demzufolge die Abgangswelle 4 in eine' Drehbewegung versetzt. Das hieraus entstehende Moment und damit die sich am Ausgang ergebende Drehgeschwindigkeit kann durch Einstellung des Erregerstroms justiert werden, wobei die Vorrichtung somit eine veränderliche Wirbelstromkupplung.bildet. Entsprechend der gewählten Ausführungsform wird der gleiche Magnetfluß zur Erzeugung des Moments zweifach ausgenutzt. In der Praxis ist die Dichte des Magnetflusses begrenzt, wobei sich im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen mit nur einem aktiven Luftspalt eine Verringerung des Querschnitts und der Masse des Stators 1 sowie des Rotors 3 bei gleichbleibender Leistung ergibt. Diese Verringerung kann ohne weiteres zwischen 40 und 50% betragen. Hierdurch ergibt sich bei einer bestimmten Leistung ein sehr kompakter Aufbau bei geringem Gewicht.

Bei einer Kupplung dieses Typs können sehr starke Erwärmungen auftreten, die sehr wirksame Vorrichtungen zur Wärmeableitung erfordern. Durch die besondere Anordnung der Elemente, die mit Aussparungen und Öffnungen versehen sind, ergibt sich eine hohe Wärmeableitungs-Kapazität. Der Kühlluftumlauf wird durch die durchgezogene Linie 25 dargestellt. Der Umlauf des Zentrifugalventilators, der durch die Rippen 52 des glatten Rotors gebildet wird, bewirkt ein Ansaugen von Frischluft über die Öffnungen 25 des Flanschteiles 7 (Figur 3). Der Kühlluftstrom 25 läuft anschließend um die Spule 2, indem er durch die Aussparung 10 um den Mittelteil des inneren Rotors 3 fließt und gelangt zu den Öffnungen gegenüber den Schlitzen 32 und 34. Ein Teil der Kühlluft fließt zwischen dem Ring 51 und dem äußeren Zahnkranz und wird anschließend durch die öffnungen 27 im Flanschteil 8 abgeleitet. Ein anderer Teil der Kühlluft fließt zwischen dem Ring 51 und dem inneren Zahnkranz , durchfließt anschließend die Aussparungen 17 des glatten Rotors 5 und wird ebenfalls über die Rippen 52 zu den Austrittsöffnungen 27 des Flanschteiles 8 mitgenommen. Die mit einer

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Wärmeabgabe verbundenen Teile, insbesondere der glatte Rotor und die Spule, werden somit in sehr wirksamer Form gekühlt. Da die Lufteingangs- und -abgangsanschlüsse radial verlaufen, kann die Wirbelstromkupplung an der Eingangsseite mit einem Antriebsorgan und ggf. an der Ausgangsseite z.B. mit einem Untersetzungsgetriebe in Nebeneinanderanordnung verbunden werden.

Erfindungsgemäß kann die Anzahl der aktiven Luftspalte durch Vervielfachung der Verzahnungen und der glatten Ringe über zwei hinausgehen. Verglichen mit der beschriebenen Aufbauform zeigen diese Lösungen bei gleicher Masse nur einen geringen Leistungszuwachs und zwar bedingt durch die progressive Verringerung der Durchmesser der Luftspalte, darüber hinaus einen komplexeren Aufbau und ein Anwachsen der zu liefernden magnetomotorischen Kraft, was wiederum entweder eine Erhöhung des Erregerstromes oder eine Erhöhung der Anzahl der Windungen der Erregerspule bedingt. Demzufolge erscheint ein zwei Luftspalte umfassender Aufbau in vielerlei Hinsicht als Vorzugslösung.

Figur 4 zeigt als Teilschema beispielsweise eine

drei aktive Luftspalte umfassende Aufbauvariante. Der Rotor 3 ist mit drei Verzahnungen 41, 42 und 43 und der Rotor 5 mit zwei glatten Ringen 44 und 45 ausgerüstet. Die doppelte Verzahnung 41-42 bildet mit einem ersten glatten Ring 44 zwei aktive Luftspalte 46 und 47 in der für den Aufbau in Figur 1 beschriebenen Form.

Die äußere, zusätzliche Verzahnung 43 bildet mit der inneren Oberfläche des zweiten glatten Ringes 45 den dritten aktiven Luftspalt 48. Ein passiver Luftspalt 49 ergibt sich bei dieser Aufbauform zwischen dem Stator 1 und der äußeren Oberfläche des zweiten glatten Ringes. Im radial verlaufenden Teil des glatten Rotors sind zusätzliche Aussparungen vorgesehen, um die Abführung der durch die Schlitze der Verzahnungen 42 und 43 fliessenden Luft zu begünstigen. Die Hinzunahme einer vierten Verzahnung des Rotors 3 könnte zur Bildung eines vierten aktiven Luftspaltes gegenüber der äußeren Oberfläche des glatten Ringes 45 usw. führen, wobei die Anzahl K der aktiven Luftspalte der Anzahl K der Verzahnungen entspricht und die Anzahl der glatten Ringe gleich

wäre, je nachdem, ob K geradzahlig oder ungeradzah-

lig ist. 209850/0757

Claims (3)

1. DIETRICH LEWINSKY * 16. Mai 1972

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   8München2l-Gotthardstr.81 7044 - V

   Telefon 56 17 62

   Ets. E. Ragonot Malakoff Bl. Gabriel Peri 7-15 (Frankreich)

   Patentansprüche :

   Veränderliche Wirbelstromkupplung mit einer Erregerspule, die feststehend in einen Stator montiert ist und mit zwei koaxialen Rotoren, einem gezahnten Rotor und einem glatten Rotor, die innerhalb des Stators angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der gezahnte Rotor (3) eine Vielzahl K von Verzahnungen und davon zumindest zwei aufweist und daß der glatte Rotor (5) eine Vielzahl von glatten Ringen gleich -r bei einer

   K+l

   geradzahligen Anzahl K und gleich —5— bei einer ungeradzahligen Anzahl K aufweist, wobei diese Verzahnungen koaxial angeordnet und jeweils voneinander durch einen aktiven Luftspalt gegenüber der entsprechenden Seite (entweder innerhalb oder außerhalb) des Ringes getrennt sind, dessen Oberfläche der jeweiligen Verzahnung in der Form zugeordnet ist, daß eine Anzahl K von aktiven Luftspalten entsteht.
2. 2. Veränderliche Wirbelstromkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gezahnte Rotor zwei Verzahnungen aufweist, eine innere Verzahnung (31-32) am Rand eines radial verlaufenden Teiles des Rotors, sowie eine äußere Verzahnung (33-34) an einem Zahnkranz, der den einzigen Ring (51) des glatten Rotors umgibt, wobei durch radial verlaufende, mechanische Verbindungen der Zahnkranz des gezahnten Rotors fest mit letzterem verbunden ist und eine freie Drehung des glatten Rotors möglich ist und daß diese Verbindungen axial verlaufende Öffnungen aufweisen, um einen axial gerichteten Fluß eines Kühlmediums durch die Schlitze der Verzahnungen zu ermöglichen.
3. 3. Veränderliche Wirbelstromkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial verlaufenden, mechanischen Verbindungen durch Seitenarme gebildet werden, die kreisförmig in be-

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   stimmter Anzahl aufgeteilt sind.

   Veränderliche Wirbelstromkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Verbindungen durch eine durchbrochene Scheibe gebildet werden.

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