DE2239668A1 - Wirbelstromkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromkupplung, mit einer Antriebswelle, einer Abtriebswelle, einer oder mehreren PeIdGeklungen, einem mit der Antriebs- oder der Abtriebswelle gekoppelten Kern mit einer Mehrzahl von Polstücken, die bei Erregung der einen oder der Mehrzahl von Feldwicklungen abwechselnd dieselbe Polarität .aufweisen, sowie mit einem Verlustglied, das mit der anderen Welle gekoppelt und dem Kern zugeordnet ist und dadurch eine Magnetflußbahn zwischen den Polstücken und ebenfalls einen Leiter für die resultierenden induzierten Spannungen bildet, die im Verlustglied Wirbelströme erzeugen, wobei die Reaktion zwischen diesen und dem Magnetfluß zur Übertragung von Drehmoment zwischen den um eine gemeinsame Achse drehbaren und zwischen sich Schlupf, d.h.

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Relativdrehung, aufweisenden Bauteilen dient.

Normalerweise erfolgt der Eingang bzw. Antrieb über das Verlustglied, das an einen Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit, beispielsweise an einen elektrischen KurζSchlußlaufermotor, angeschlossen ist. Bei konstantem Drehmoment ist die Umlaufgeschwindigkeit des Kerns bzw. Ankers abhängig von der Erregung der einen oder der Mehrzahl von Feldwicklungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine wirtschaftlich herstellbare und im Betrieb besonders zuverlässige Wirbelstromkupplung von kräftigem Aufbau zu schaffen.

Eine Wirbelstromkupplung der eingangs beschriebenen Art zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß das Verlustglied über einen Flansch fest mit,der Antriebswelle oder der Abtriebswelle verbunden ist, daß am Flansch ein aus ferromagnetischem .Werkstoff hergestellter Verlustring so angeordnet ist, daß zwischen ihm und den Polstücken nur ein kleiner Luftspalt besteht, und daß an den Kanten des Verlustringes und in guter elektrischer Verbindung mit diesem Endringe angeordnet sind,' die aus einem nicht magnetischen Werkstoff mit niedrigerem spezifischem elektrischem V/iderstand als der Werkstoff des Verlustringes hergestellt sind.

Unter einem ferromagnetischen Werkstoff wird Eisen, Eisenlegierungen mit einem Eisengehalt von wenigstens 95 Gew.-^, Nickel und Nickellegierungen mit einem Nickelgehalt von wenigstens 95 Gew.-^ verstanden.

Sine Wirbelstromkupplung in der beschriebenen Ausbildung ist wirtschaftlich herstellbar, da der Flansch aus einem mechanisch festen Werkstoff hergestellt sein kann, während für den Verlustring ein ferromagnetischer Werkstoff verwendet werden kann, der als Leiter des Magnetflusses und als elektrischer Leiter

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dient. Zudem wird durch die Endringe in weitestgehendem Maße der Widerstand'in den von den Wirbelströmen durchströmten geschlossenen Bahnen herabgesetzt und damit durch eine Verringerung der in der Kupplung erzeugten Warme deren Leistungsfähigkeit erhöht.

Vorzugsweise ist der Plansch selbst aus einem Eisenwerkstoff hergestellt, dessen spezifischer Widerstand größer ist als der des Verlustringes. Zur Herstellung des Flansches kann daher Flußeisen bzw. Flußstahl oder Kugelgraphitguß verwendet werden. Der Verlustring kann aus Armco-Eisen oder aus Nickel, oder aus übereinanderliegenden Schichten aus Eisen und Nickel, oder aus einem anderen ferromagnetischen Werkstoff mit niedrigem spezifischem Widerstand hergestellt sein, die Endringe vorzugsweise aus gut leitendem Kupfer. Als Werkstoff für den Flansch kann auch Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet werden. Jedoch eignet sich dieser Werkstoff bei geringem Schlupf weniger gut als ein Kupplungsflansch aus Eisenwerkstoff.

Der Kern bzw. Anker trägt vorzugsweise eine oder mehrere Feldwicklungen. Bei Bedarf kann jedoch auch ein stationäres Feld vorgesehen sein. In diesem Falle sind zwischen dem Feld und dem Anker parasitäre luftspalte vorhanden. Diese Ausbildung wird jedoch nicht bevorzugt, da sie gegenüber einer Kupplung mit umlaufender Feldwicklung eine geringere Leistung bringt.

Der Kern bzw. Anker ist vorzugsweise mit ausgeprägten Polstücken ausgestattet, wobei jedes Polstück wenigstens der Hälfte aller Polstücke eine Feldwicklung trägt. Normalerweise ist an jedem Polstück eine Feldwicklung vorgesehen, so daß bei deren Erregung abwechselnde Polstücke dieselbe Polarität aufweisen. Die gleiche Wirkung läßt sich jedoch auch dadurch erzielen, daß man eine Wicklung nur um abwechselnde Polstücke anordnet

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oder daß man eine Serpentineη-Wicklung verwendet, die im Zickzack um benachbarte Polstücke verläuft.

Bei Bedarf kann der Anker mit Lundell-Polstücken (Lundell poles) oder in interdigitaler Art angeordnet en Polstück ei (interdigitated poles) ausgestattet sein. In diesem Falle wäre den Polstücken eine einzige, ring- bzw. kreisförmige Wicklung zugeordnet.

In jeder der vorbeschriebenen Anordnungen ist der Anker vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Lamellen aus Eisenwerkstoff zusammengesetzt, die eng beieinander angeordnet und so ausgebildet sind, daß eine Verringerung der Wirbelstromverluste im Kern bzw. Anker bewirkt wird.

In einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung ist der Verlustring, der beispielsweise aus Armco-Eisen hergestellt ist, durch elektrolytische Abscheidung aufgetragen, wobei zuerst die Endringe fest mit dem Plansch verbunden und dann das Armco-Eisen elektrolytisch abgeschieden wird, so daß zwischen den aus Kupfer hergestellten Endringen und dem Armco-Eisen eine intermolekulare Bindung erzielt wird. Zwischen den beiden Werkstoffen bzw. Bauteilen ist damit eine gute elektrische Verbindung hergestellt. Eine Bindung besteht ebenfalls zwischem dem Plansch, wenn dieser beispielsweise aus Flußeisen bzw. Flußstahl hergestellt ist, und dem zur Herstellung des Verlustringes verwendeten £rmco-Eisen. Um den Niederschlag zu erleichtern, kann am Flansch zuerst eine Nickelschicht aufgebracht werden, auf die dann die Schicht aus Armco-Eisen niedergeschlagen wird. Bei Bedarf kann der Verlustring vollständig aus elektrolytisch abgeschiedenem Nickel hergestellt sein. Wahlweise kann die Befestigung des Verlustringes durch Verschmelzung bzw. durch stoffschlüssiges Verbinden, beispielsweise durch Hartlöten, erzielt sein.

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Das Verlustglied kann als Trommel ausgebildet sein, die den Anker umschließt oder von diesem umhüllt ist.·

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels mit weiteren Einzelheiten erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Pig. 1 einen Längsschnitt durch eine Wirbelstromkupplung
in erfindungsgemäßer Ausbildung und

Pig. 2 eine Stirnansicht eines Teils des Ankers der

Wirbelstromkupplung entsprechend Pig. 1 mit einer
Darstellung der Gestalt der Polstücke.

Die Wirbelstromkupplung entsprechend Fig. 1 weist ein
zylindrisches Gehäuse 10 auf, das mit Stützflanschen 11 ausgestattet ist und an seinen Enden bzw. Stirnseiten durch
sehejfenähnliehe Abschlußstücke 12 und 13 verschlossen ist,
die am Gehäuse 10 durch Schrauben 14 befestigt sind. Eine
Antriebswelle 15 ist in einem im Abschlußstück 12 angeordneten Lager 16 und in einem zweiten, in einem Lagerbock 18 untergebrachten Lager 17 gelagert. Zwischen dem Abschlußstück 12 und dem Lagerbock 18 ist mit der Welle eine Riemenscheibe verkeilt. Die Riemenscheibe dient zur Aufnahme eines Antriebsriemens, der beispielsweise durch einen Elektromotor mit
konstanter Drehzahl antreibbar ist.

Die Antriebswelle ragt in das Gehäuse ein und trägt ein mit ihr einstückig ausgebildetes bzw. fest verbundenes Verlustglied in Gestalt einer Trommel, die in ihrer Gesamtheit mit 20 bezeichnet ist. Zur Trommel gehören ein Plansch 21 und
ein zylindrischer Teil 22.

An der Innenseite des zylindrischen Teils 22 ist mit diesem ein erster jjlndring/aus Kupfer durch Schrauben 24 fest verbunden.

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Der Endring 23 ist nahe dem Plansch 21 angeordnet. Am freien Ende des zylindrischen Teils 22 ist ein zweiter Endring 25 aus Kupfer durch Schrauben 26 fest angebracht. Zwischen den Endringen 23 und 25 und an der Innenfläche des zylindrischen Teils 22 ist ein Verlustring 27 angeordnet. Die Trommel 20 und die Antriebswelle 15 sind mit Vorteil aus Plußeisen bzw. Flußstahl, die Endringe 23 und 25 aus gut leitendem Kupfer hergestellt bzw. geformt. Der Werkstoff des Verlustringes 27 ist'vorzugsweise reines oder Armco-Eisen, das einen niedrigen spezifischen

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Widerstand von der Größenordnung 9,71..·11 · 10 Ohm-Meter aufweist. Zwischen dem Verlustring und den Endringen 23 und besteht guter elektrischer Kontakt.

Eines der Verfahren zum Befestigen des Verlustringes 27 kann darin bestehen, den Verlustring durch elektrolytische Abscheidung am zylindrischen Teil 22 niederzuschlagen. Dies geschieht, nachdem die Endringe 23 und 25 mit dem zylindrischen Teil 22 fest verbunden worden sind. Auf diese Weise wird erreicht, daß zwischen dem Eisen des Verlustringes und dem Kupfer der Endringe eine intermolekulare Bindung zustandekommt, die zwischen den verschiedenen Ringen einen sehr guten elektrischen Kontakt gewährleistet. Außerdem wird eine intermolekulare Bindung zwischen dem Eisen und dem Flußeisen bzw. Flußstahl des zylindrischen Teils 22 erzielt, so daß dieser den Verlustring 27 in Lage hält. Infolge der Bindung zwischen den Ringen untereinander und zwischen dem Verlustring 27 und dem zylindrischen Teil 22 sind die Endringe in Lage gehalten und die zu ihrer Befestigung am zylindrischen Teil 22 verwendeten Schrauben dienen lediglich als vorübergehende Halteglieder. Bei Bedarf kann am Flansch zuerst eine Nickelschicht und dann auf dieser eine Schicht aus Armco-Eisen aufgebracht werden.

Wahlweise kann der Verlustring 27 zwischen den Endringen 23 und 25 durch Hartlöten angebracht werden. Obgleich bevorzugt wird, zur Herstellung des Flansches 21 Hnpn Eisen-Werkstoff,

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wie z.B. Flußeisen "bzw. Fluß st aiii, zu verwenden^ dessen spezifischer -elektrischer Widerstand größer ist als der von reinem Eisen, so kann doch, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, als Werkstoff für den Flansch ein anderes Material, beispielsweise eine Aluminiumlegierung, vorgesehen sein, an der ein Verlustring 27 aus ferrömagnetischem Werkstoff fest angebracht ist.

Im Flansch 21 des Verlustgliedes ist eine Mehrzahl von Öffnungen 28 ausgebildet, von denen nur eine gezeichnet ist. Witerhin ist der Flansch mit einem (nicht gezeichneten) Lüfter ausgerüstet, so daß bei Drehung des Verlustgliedes durch 'die Antriebswelle 15 Kühlluft durch Öffnungen 29 im Abschlußstück 12 angesaugt und durch ein metallisches Führungsblech 30 über das Verlustglied geleitet wird. Die Kühlluft gelangt durch die Öffnungen 28 und überströmt den weiter unten näher zu beschreibenden Kern bzw. Anker und verläßt die Kupplung durch Öffnungen 31 im Abschlußstück 13.

Die Kupplung weist eine Abtriebswelle 32 auf, die an ihrem rechten Ende einen Abschnitt 33 mit verringertem Durchmesser besitzt, der in einem Lager 34 aufgenommen ist, das in einer angesenkten bzw. angeflächten Bohrung 35 der Antriebswelle 15 angeordnet ist. Zwischen Abtriebswelle 32 und Flansch 21 ist eine Öldichtung 36 vorhanden, die ein Austreten von Schmiermittel aus dem Lager 34 verhindert.

Die Abtriebswelle"32 trägt einen in seiner Gesamtheit mit 37 bezeichneten und mit der Abtriebswelle 32 verkeilten Kern bzw. Aoiker, der eine Mehrzahl von aus Eisenwerkstoff hergestellten Laraellen aufweist, die durch Bolzen 38 zusammengehalten sind. ι

Fig. 2 zeigt in Stirnansicht einen Teil des Kerns, der ausgeprägte Polstücke 40 mit zwischen diesen liegenden Schlitzen aufweist. In der Zeichnung sind nur einige der Polstücke

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gezeichnet. Jedes der Polstücke 40 ist von einer in Fig. 2 nicht gezeichneten Feldwicklung umschlossen, die in Fig. 1 mit 42 bezeichnet ist. Zwischen den Außenflächen 44 der Polstücke 40 und der Innenfläche des Eisen-Verlustringes 27 besteht ein kleiner Luftspalt 43. Der Kern bzw. Anker ist an der Abtriebswelle 32 zwischen einem Klemmring 45 und einer Mutter 46 gehalten.

Die Zufuhr von elektrischem Strom zu den Feldwicklungen 42 erfolgt über Schleifringe und Bürsten. An einem Isolieransatz 48 der Abtriebswelle 32 sind zwei Schleifringe 47 angeordnet. Die (nicht gezeichneten) Leitungen von den Schleifringen zu den Wicklungen sind in einem in der Abtriebswelle 32 ausgebildeten Schlitz 49 aufgenommen. Jedem Schleifring ist eine Bürste 50 zugeordnet. Die Bürsten sind am Abschlußstück 13 angebracht.

Im Bereich zwischen den Bürsten und dem Anker ist an der Abtriebswelle 32 eine in ihrer Gesaatheit mit 51 bezeichnete elektromagnetische Reibungsbremse in beliebiger herkömmlicher Bauweise angeordnet.

Die Abtriebswelle 32 trägt weiterhin einen Rotor 51* eines in seiner Gesamtheit mit 52 bezeichneten Tachogenerators, dessen Stator mit 53 bezeichnet ist.

Die Abtriebswelle 32 ist in einem Außenlager 54 abgestützt. Der aus der Kupplung ausragende Abschnitt 55 kann eine Antriebsriemenscheibe oder ähnliches Bauteil tragen.

Im Betrieb wird die Riemenscheibe 19 beispielsweise durch einen Elektromotor mit konstanter Drehgeschwindigkeit angetrieben und überträgt diese Drehbewegung auf die Antriebswelle 15 und das Verlustglied 20. Die Feldwicklungen 42 werden über die Bürsten 50 und die Schleifringe 47 erregt. Aufgrund der Relativdrehung zwischen dem Verlustglied und dem Anker

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strömen durch geschlossene Bahnen im Verlustglied Wirbelströme, die mit dem Magnetfluß des Ankers reagieren und über eine Drehung des Ankers auch die Drehung der Antriebswelle bewirken. Es ist bekannt, daß die Umlaufgeschwindigkeit der Abtriebswelle über die Erregung der Feldwicklungen 42 beeinflußbar ist.

Der Verlustring 27 ist nicht nur eine Bahn für den Magnetfluß zwischen den entgegengesetzten Polstücken des Ankers, sondern ist auch Leiter für die Wirbelströme, die in geschlossenen, schleifenähnlichen Bahnen strömen, deren Enden in den gut leitenden Endringen 23 und 25 liegen. Der Widerstand der geschlossenen Schleifenbahnen ist damit auf einen Geringstwert gebracht, so daß die erzeugte Wärme und der Leistungsverlust auf kleinstmögliche Werte beschränkt sind.

Da zudem für den Plansch Flußeisen bzw. Flußstahl, Kugel-"graphitguß oder ein ähnlicher Werkstoff verwendet werden kann, ist der Flansch leicht herzustellen "bzw. zu formen und -jyyiea steine jgrgße mechanische Festigkeit aöT~Au&ei4CTi .sind■-—~— seine Herstellungskosten verhältnismäßig Tiiedrig. In einer Ausbildungsform kann der-Flansch aus Kugelgraphitguß, der -Verlustring aus Flußeisen bzw. Flußstahl mit geringem

spezifischem Widerstand von beispielsweise 12...16 . 10 Ohm-Meter hergestellt sein. Verltistringe aus Nickel oder Nickellegierungen mit einem Nickelgehalt von wenigstens 95 Gew.-^ sind ebenfalls verwendbar.

Die Erfindung schafft also eine Wirbelstromkupplung von zweckmäßigem Aufbau und zweckmäßiger mechanischer Festigkeit, die bei einfacher Herstellung große Leistung bringt.

Bei der beschriebenen Ausbildungsform nach der Erfindung weist der Kern-ausgeprägte Polstücke auf, von denen jedes .eine Feldwicklung trägt. Bei Bedarf kann jedoch vorgesehen sein, daß nur an jedem abwechselnden Polstück eine Feldwicklung vorhanden

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ist, oder daß, wie schon erwähnt, eine einzige Serpentinen-Wicklung verwendet wird. In einer weiteren, aber weniger bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung kann der Kern mit Lundell-Polstücken oder mit nach interdigitaler Art angeordneten Polstücken mit nur einer einzigen Feldwicklungsspule ausgestattet sein.

Die Erfindung ist auch auf eine Wirbelstromkupplung anwendbar, die eine stationäre Feldwicklung aufweist, um die der Anker umläuft. Diese Ausbildungsform wird jedoch nicht bevorzugt.

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Claims (10)

1. ANSPRÜCHE

   Wirbelstromkupplung, mit einer Antriebswelle, einer Antriebswelle, einer oder mehreren Feldwicklungen, einem mit der Antriebs- oder der Abtriebswelle gekoppelten Kern mit einer Mehrzahl von Polstück en, die bei Erregung der einen oder der Mehrzahl von Feldwicklungen abwechselnd dieselbe Polarität aufweisen, sowie mit einem Verlustglied, das mit der anderen Welle gekoppelt und dem Kern zugeordnet ist und dadurch eine Magnetflußbahn zwischen den Polstücken und ebenfalls einen Leiter für die resultierenden induzierten Spannungen bildet, die im Verlustglied Wirbelströme erzeügenr·— wobei die Reaktion zwischen diesen und dem Magnetfluß zur Übertragung von Drehmoment zwischen den um eine gemeinsame Achse drehbaren und zwischen sich Schlupf, d.h. Relativdrehung, aufweisenden Bauteilen, dient, dadurch gekennzeichnet, daß das Verlustglied X20O^Jiber einen Plansch (21) fest miij der Antriebswelle (15) oder der "Abtriebswelle'(32) verbunden ist, daß am Plansch (21) ein aus ferromagnetxschem Werkstoff hergestellter Verlustring (27) so angeordnet ist, daß zwischen ihm und den Polstücken (40) nur ein kleiner Luftspalt (43) besteht, und daß an den Kanten des Verlust- ringes (27) und in guter elektrischer Verbindung mit diesem Endringe (23,25) angeordnet sind, die aus einem nicht magnetischen Werkstoff mit niedrigerem spezifischem elektrischem Widerstand als der Werkstoff des Verlustringes (27) hergestellt sind.

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2. 2. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (21) aus Eisen- bzw. eisenhaltigem Werkstoff hergestellt ist, der einen größeren spezifischen elektrischen Widerstand besitzt als der Werkstoff des Verlustringes (27).
3. 3. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Plansch (21) aus Flußeisen bzw. Flußstahl hergestellt ist, daß der Verlustring (27) aus Armco-Eisen ist, und daß der Werkstoff der Endringe (23»25) gut leitendes Kupfer ist.
4. 4. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Flansch (21) aus Kugelgraphitguß hergestellt ist, daß der Verlustring (27) aus Flußeisen bzw. Flußstahl mit niedrigem spezifischem Widerstand ist, und daß der Werkstoff der Endringe (23,25) gut leitendes Kupfer ist.
5. 5. Wirbelstromkupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Verlustring (27) nahe der Polstücke (40) auf eine Schicht aus Nickel oder aus einer Nickellegierung mit einem Nickelgehalt von wenigstens 95 Gew.-°/o eine Schicht aus Armco-Eisen oder Flußeisen bzw. Flußstahl aufgebracht ist.
6. 6. Wirbelstromkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Anker bzw. Kern (37) eine oder mehere Feldwicklungen (42) trägt.

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7. 7. Wirbelstromkupplung nach. Anspruch 6, dadurch, g e k e η η zeichnet, daß der Kern (37) mit ausgeprägten Polstücken (40) ausgestattet ist, von denen wenigstens die Hälfte Feldwicklungen (42) trägt.
8. 8. Wirbelstromkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gek ennz ei chne t, daß der Kern (37) aus einer Mehrzahl von Lamellen aus Eisen- bzw. eisenhaltigem Werkstoff zusammengesetzt ist.
9. 9. Wirbelstromkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlustring (27) am Flansch (21) zwischen den Endringen (23,25) durch elektrolytische Abscheidung aufgebracht ist.
10. 10. Wirbelstromkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennz eichnet, daß das Verlustglied (20) in Gestalt einer Trommel ausgebildet ist, die den Kern (37) so umgibt, daß der Verlustring (27) die Polstücke (40) umschließt.

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