DE2333385A1

DE2333385A1 - Wechselstrom-tachometergenerator

Info

Publication number: DE2333385A1
Application number: DE19732333385
Authority: DE
Inventors: Richard Edwin Anderson; Harry Gustav Swanson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Ametek Aerospace Products Inc
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-30
Publication date: 1974-01-24
Also published as: IT992595B; JPS4944205A; US3742264A; GB1381829A; DE7324306U; FR2191118A1; DE2333385C2; JPS6013268Y2; JPS5795071U; FR2191118B1

Description

Dr. rer. nai. »or^E Cicnuier

PATENTANWALT

6 Frankfurt/Main L 29. Juni 1973 Niddastraße 52 vo./he./Rg.

Telefon (0611) 237220 Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

2W-52-EE-O-159

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.

V/echse Istrom-Tachometergenerat or

Die Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Maschinen und insbesondere auf einen Wechselstromgenerator, der insbesondere als ein Tachometergenerator brauchbar ist. .

Tachometergeneratoren,' die einen Permanentmagnetrotor verwenden, um die erforderlichen Schleifringe zu vermeiden, sind seit langer Zeit als Drehzahlmeßvorrichtungen in Plugzeugen und anderen Applikationen angewendet worden, da diese Generatoren einfach im Aufbau

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und stabil in der Konstruktion sind. Typischerweise wird in einem Tachometergenerator ein Permanentmagnetrotor in zwei Lagern gehalten und über eine Universalverbindung und ein Verbindungsstück mit der Antriebs- oder Triebwerkswelle verbunden. Eine derartige Anordnung ist einigermaßen angemessen, wenn der Tachometer in einer Umgebung benutzt wird, die hinsichtlich der Betriebstemperaturen keine sehr hohe Beanspruchung darstellt. Wenn derartige Tachometergeneratoren jedoch beispielsweise in einem Strahltriebwerk benutzt v/erden, werden sie bei hohen Drehzahlen und unter starker -Vibration betrieben und Betriebstemperaturen von sogar 18O°C ausgesetzt. Unter solch harten Betriebsbedingungen sind die rotierenden Elemente, wie die Lager und Wellenverbindungsmittel, einer starken Abnutzung unterworfen. Eine richtige Schmierung dieser Elemente ist schwierig, da sich Schmiermittel bei hohen Drehzahlen und Temperaturen verschlechtern. Infolgedessen besteht nicht nur das immer vorhandene Risiko der Beschädigung des Tachometers aufgrund eines möglichen Lagerfraßes oder eines Fehlers der rotierenden Universalverbindung, sondern es ist auch eine häufige Inspektion und Wartung erforderlich, um die Möglichkeit einer derartigen Beschädigung zu vermeiden oder auf ein Minimum herabzusetzen.

Neben den Kosten und der Lästigkeit, die mit der häufigen Wartung der Lager und rotierenden Teile des Tachometers verbunden sind, muß auch '.·:'"■ ^nd des Wartens große Sorgfalt geübt werden, um eine zufällig- <-^-aädigung des Tachometers zu verhindern. Beispielsweise ist beim Zerlegen des Tachometers zur Wartung ein unbeabsichtigter Schlag oder Stoß auf den Permanentmagneten des Rotors mit einem daraus resultierenden Verlust in der magnetischen Ausgangsgröße immer eine Möglichkeit und erfordert eine große Sorgfalt, um dies zu vermeiden. Diese Einflüsse auf die magnetische Ausgangsgröße des Rotors können aus einer Vergrößerung der Luftspalte in dem magnetischen Kreis des Generators während des Wartens oder daraus resultieren, daß der Rotor mag-

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netischen Wechselstrom- oder Gleichstrom-Magnetfeldern ausgesetzt wirdj durch die der Rotor entmagnetisiert wird. Wegen der Schwierigkeit , die bei der Reparatur eines Generators ohne Verschlechteruns des Rotors auftritt, erfordern Reparatureinrichtungen teure Magnetisiergeräte, um die Generatorrotoren nach der Reparatur wieder zu magnetisieren. Der lagerlose Tachometergenerator eliminiert das, Erfordernis für eine derartige Ausrüstung.

Demzufolge ist die Eliminierung von Lagern und anderen rotieren-. den. Komponenten, die versagen können und eine kontinuierliche und teure Wartung erfordern, wünschenswert, da dann eine kleinere, leichtere, betriebssichere und billigere Vorrichtung möglich sein würde. Urn dieses Ziel zu erreichen, ist es wünschenswert, sowohl die Gesamtgröße, d.h. sowohl die Länge als auch den Umfang des Permanentmagnetrotors zu verkleinern als auch xtfiirksame Mittel zu finden, um den Rotor an der Antriebswelle fest anzubringen, so daß Lager und andere rotierende .Teile, die am stärksten abgenutzt werden, eliminiert werden können.

Das Aufkommen von hocheru.erge ti sehen Magneten aus Seltenen Erden, wie z. B. Magnete aus Kobalt-Samarium, die sich durch hohe Koerzitivkräfte und hohe Restflüsse auszeichnen, macht es möglich, den Rotor auf eine sehr kleine Größe mit einem viel größeren Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu verkleinern, während gleichzeitig eine ausreichende Ausgangsgröße aus dem Tachometergenerator erzeugt wird, die zur Messung der Wellendrehzahl verwendbar ist. Weiterhin sind die Magnete aus Seltenen Erden, wie* Kobalt-Samarium, nicht so empfindlich gegenüber Stoß bzw. Schlag des Permanentmagneten, wie es bei anderen magnetischen Materialien der Fall ist. Mit der Verkleinerung der Größe des Rotors und der daraus resultierenden Miniaturisierung des Tachometergenerators insgesamt ist es möglich, den Rotor an der Antriebswelle mittels einer neuartigen, keilartigen Koppeleinrichtung fest anzubringen, die den Tachometerrotor an der Welle stabil befestigt. Dadurch wird das Erfordernis von Lagern, Verbindungsstücken und Univer-

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salverbindungen eliminiert₃ wodurch eine kleine, höchst betriebssichere Tachometerkonstruktion erzeugt wird, ohne daß die übliche Befestigungskonsole des Tachometergenerators und die Antriebsmittel verändert werden.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen miniaturisierten lagerlosen Tachometergenerator zu schaffen, der eine stabile direkte Kopplung zwischen dem Rotor und der Antriebswelle aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Tachometergenerator gelöst, der einen Permanentmagnetrotor aus Kobalt-Samarium aufweist, der an der Antriebswelle mittels einer keilartigen Kopplung fest angebracht ist. Der Mechanismus umfaßt einen geschlitzten, elastischen Kopplungsteil mit einer quadratischen Konfiguration und einer kreisförmigen Bohrung durch die Mitte·· In der Bohrung ist ein konischer Stab aufgenommen, und ein Gewindeende des konischen Stabes ist in die Rotorhalterung

ingeschraubt. Das Kopplungsteil ist in eine öffnung in der Antriebswelle eingesetzt. Der Rotor und das Halterungsteil werden gedreht, wodurch der konische Stab axial entlang der Bohrung bewegt wird. Die Bewegung des Stabee drückt das geschlitzte elastische Keilelement nach außen gegen die öffnung in der An-

triebswelle, wodurch der Rotor mit der Antriebswelle fest verbunden wird aufgrund der Keilwirkung, die durch den Stab auf das elastische Keilelement ausgeübt wird. Der Rotor kann auf einfache Weise demontiert werden, indem die Drehung des Magnethalters umgekehrt wird, wodurch die Belastung von dem konischen Stab genommen wird. Der Stab kann dann axial in die entgegengesetzte Richtung gestoßen und die Keilwirkung auf das keilförmige Element gelöst werden.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

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Figur 1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung von dem Tachometergenerator und der Koppeleinrichtung.

Figur 2 ist eine Seitenansicht von dem zusammengebauten Rotor und der Antriebswelle.

Figur 3 ist eine Endansicht von der Antriebswelle nach einem Schnitt entlang*der Linie 3-3 in Figur 1 und zeigt die öffnung in der Antriebswelle zur Aufnahme der Rotorkopplung.

In Figur 1 ist der lagerlose Tachometergenerator in einem perspektivischen Explosionsbild dargestellt. Er umfaßt vier Hauptteile, nämlich einen Permanentmagnetrotor 10, einen Stator 11, ein den Stator und den Rotor tragendes Gehäuse 12 und eine Wellenkopplungseinrichtung 13» um den Rotor 10 fest mit der Antriebswelle zu verbinden, die bei 14 allgemein gezeigt ist. Die Antriebswelle 14, die im Falle eines Strahltriebwerkes beispiels-, weise von dem Strahltriebrotor angetrieben werden kann, treibt den Rotor 10 an, um von dem Tachometer eine Ausgangsspannung zu liefern, die der Drehzahl der Antriebswelle und demzufolge der Drehzahl des Triebwerkes proportional ist. In dem Gehäuse 12 ist ein Stator angebracht, der eine zylindrische Feldstruktur aus magnetischem Material trägt, die drei gleich beabstandete, radial vorstehende Pole 15, 16 und 17 aufweist. Die in radialer Richtung herausragenden Pole 15, l6 und 17 bilden einen zylindrischen Luftspalt, in dem der Permanentmagnetrotor 10 angeordnet ist, um die gewünschten Ausgangssignale zu erzeugen. Die Polstücke 15, 16 und 17* die den Rotor in magnetischer Relation mit diesem umgeben, tragen Feldwicklungen 18, 19 und 20, deren Leiter durch ein nicht gezeigtes Verbindungsstück hindurch aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Der Rotor 10 wird durch die Welle 14 angetrieben, und sein magnetisches Feld erzeugt eine Spannung in den Wicklungen 18 - 20, deren Frequenz der Drehzahl der Rotation der Antriebswelle proportional ist. Diese Ausgangsspannung wird in einer geeigneten Anzeigevorrichtung benutzt, um eine Anzeige der Wellendrehzahl zu er.zeugen. Das Gehäuse 12 weist einen Befesti-

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gungsflans.ch und zahlreiche 3efestiguii;;slöcher 21 auf, um eine direkte Befestigung des.Tachometers an dem Triebwerksgehäuse oder an einem geeigneten Befestigungsansatz zu gestatten, der zu der Antriebsweile gehört.

Der Rotor 10 ist ein Permanentmagnetrotor, der entlang einem Durchmesser magnetisiert ist, um Nord- und Südpole zu erzeugen, wie es in Figur 1 durch die Buchstaben N und S angedeutet ist. _v Jm das Gewicht und die Größe des Rotors herabzusetzen, ist der Rotor vorzugsweise aus einem Magnetmaterial mit hoher Koerzitivkraft und hohem Restfluß gebildet. Ein Material, das für diese Applikation als besonders gut geeignet befunden wurde, ist eine gesinterte Legierung aus Seltenen-Erdmaterialien, nämlich Samarium und Kobalt, bestehend aus:

Kobalt 63 % Samarium 37 % ·

Derartige Magnete aus Seltenen Erden werden von der General Electric Co. hergestellt und unter dem Handelsnamen GECORE vertrieben.

Der Rotor 10 ist an einer Rotorhalterungsvorrichtung 22 befestigt,, die mit der Kopplungsvorrichtung 13 zusammenarbeitet, um den Rotor 10 an der Antriebswelle I¹J starr zu befestigen. Die Vorrichtung 22 weist eine hexagonal geformte Halterungsplatte, an der der Rotor befestigt ist, und eine kurze Zapfenwelle 23 auf, die eine Mittelbohrung 25 mit Innengewinde aufweist. Die Zapfenwelle 23 arbeitet mit der Wellenkopplungsvorrichtung 13 in einer noch zu beschreibenden Weise zusammen, um einen konischen Stab, der einen Teil der Kopplung 13 bildet, in axialer Richtung zu bewegen, wodurch die Kopplung fest mit der Antriebswelle 14 verkeilt wird.

Das Rotorelement 10 besteht aus einem Zylinder aus gesintertem Kobalt^Samarium, das in einem Hohlzylinder aus rostfreiem Stahl gehalten ist, an dem.es mittels eines geeigneten Klebemittels

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befestigt ist, wie beispielsweise einem der allgemein verfügbaren Epoxy-Kleber. Der Magnet und der tragende Zylinder sind an der hexagonalen Halterungsplatte angebracht und an dieser mittels ■ eines Epoxy-Klebers befestigt, so daß der Rotor 10 und der Halter 22 eine einzige einheitliche Baueinheit bilden.

Der Rotor ist an der Antriebswelle lA mittels der Kopplungsvorrichtung 13 fest angebracht, die aus einem geschlitzten, ausdehnbaren Element 26 und einem damit zusammenarbeitenden konischen Expanderteil 27 besteht, die zusammenwirken, um die Keilwirkung zu liefern, die den Rotor mit der Antriebswelle 1\ verklemmt. Das Keileiement 26 weist einen quadratischen Schaft auf, der an einem teilweise geschlitzten zylinderförmigen Becher 29 angebracht ist. Der Schaft ist geschlitzt, um zwei dreieckförmige elastische Finger 28 zu bilden. Jeder Pinger weist eine halbkreisförmige Aussparung auf, die sich entlang der Schlitzlänge erstreckt, um eine Mittelbohrung 30 zu bilden, die mit der Gewindebohrung 25 in der Rotorhalterungseinrichtung 22 axial fluchtet.

Der bewegbare Expander 27 ist in der Bohrung 30 angeordnet und umfaßt einen konischen Stab 31> der an den elastischen Fingern 28 angreift, und einen Gewindeabschnitt 32, der an der Gewindebohrung 25 der Rotorhalterungseinrichtung 22 angreift.

Bei den in Figur 1 dargestellten Relationen drückt eine Bewegung des Stabes 31 nach links die Federfinger 28 nach außen und verkeilt sie fest gegen.die Innenwand der Öffnung 33 in der Anr triebswelle, die am deutlichsten aus Figur 3 zu ersehen ist. Ein quer verlaufender Führungsstift 3^ geht von dem konischen Stab 31 aus und reitet in den Schlitzen, die durch die Federfinger 28 gebildet werden. Der Führungsstift 34 verhindert eine Drehung des konischen Stabes in der Bohrung und stellt eine axiale Bewegung des Stabes immer dann sicher, wenn der Rotorhalter gehandhabt wird, um den Rotor an der Antriebswelle festzuklemmen.

Figur 2 stellt den Rotor, die Antriebswelle und den Kopplungsmechanismus in der zusammengebauten Lage dar. Der Rotor 10 um-

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'faßt, wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, einen Haltezylinder 35, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und der einen Zylinder 36 aus gesintertem Kobalt-Samarium umgibt. Der gesinterte Magnet 36 aus Kobalt-Samarium ist an dem Zylinder mittels eines Epoxy- oder eines ähnlichen Klebemittels befestigt. Der Rotor 10 ist an der Oberfläche der Rotorhalterung 22 ebenfalls durch einen Epoxy-Kleber oder ein ähnliches Klebemittel befestigt, das auf die Oberfläche des Halters gesprüht und entweder bei Raumtemperatur durch Verwendung geeigneter Härtungsmittel oder durch Erwärmung des Epoxyharzes ausgehärtet ist. Der geschlitzte zylinderförmige Becher 29> der Teil der Keileinrichtung 26 ist, paßt über die Zapfenwelle 23 der Rotorhalterung, und die elastischen Finger 28 sind in die öffnung 33 der Antriebswelle Ik eingesetzt. Eine öldichtung 38 ist zwischen der Welle Ik und dem Triebwerksgehäuse 39 angeordnet, in der die Welle angebracht ist. Der konische Abschnitt 31 des Expanders 27 ist in der Bohrung 30 angebracht, und das Gewindeende 32 ist von der Bohrung 25 der Zapfenwelle der Rotorhalterung aufgenommen.

Figur 2 zeigt die Kopplungsvorrichtung insoweit nicht im zusammengebauten Zustand, als der Stab 31 keinerlei Keilkraft auf die elastischen Finger 28 ausübt, so daß die gesamte Kopplungsvorrichtung lose in die Antriebswelle I^ paßt und einfach durch Ziehen nach links herausgenommen werden kann. Die Vorrichtung wird dadurch befestigt, daß die Rotorhalterung 22 gedreht wird, so daß sich das Gewindeende 32 des Keilexpanders nach links bewegt. Der konische Stab 31 bewegt sich ebenfalls nach links und erzeugt dabei eine Keilwirkung, die die Federfinger 28 nach außen und in einen Kontakt mit der Wand der Kammer 33 in der Antriebswelle drückt. Der maximale Durchmesser des konischen Stabes ist größer als der normale Durchmesser der Bohrung 30 in dem Keil, . so daß durch Drehung der Rotorhalterung der konische Stab axial an der Mittelbohrung entlanggetrieben wird, wodurch eine Keilwirkung auf die Finger 28 erzeugt und die Antriebswelle und der Rotor fest und starr miteinander gekoppelt werden.

Der Rotor kann dadurch wieder aus der Antriebswelle herausgelöst

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werden, daß einfach das Rotorhalterungselement 22 in der entgegengesetzten Richtung gedreht und der konische Stab 31 genügend nach rechts gedrückt wird, um die Keilkraft auf die Federfinger 2 8 zu lösen, wodurch der Rotor gelöst und die Rotorhalterungseinrichtung aus der Antriebswelle freigegeben werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung der Erfindung wird weiterhin
deutlich, daß die Kopplungsanordnung für die feste Anbringung
des Rotors an der Welle nicht empfindlich ist, sich aufgrund der durch den Rotor erzeugten Radialkräfte zu lösen. Dies bedeutet, daß die Radialkräfte A, die durch die Rotorbewegung um einen
Hebelpunkt B herum erzeugt werden, um auf die Kopplung wirkende Zugkräfte erzeugen, eine Zugkraft auf das Gewindeende 32 des konischen Stabes zu erzeugen. Diese Zugkraft auf das Gewindeende hat einfach die Tendenz, den konischen Stab weiter nach
links zu ziehen, den Stab weiter in die Bohrung der Keileinrichtung hinein zu bewegen und die Keilkraft gegen die Federfinger
zu erhöhen. Somit erhöhen die Zugkräfte, die durch die radialen Kräfte des Rotors erzeugt werden, auf einfache Weise die Haltekraft. Dies ist selbstverständlich höchst erstrebenswert, da die Betriebssicherheit und die allgemeine Effektivität der Kopplungseinrichtung dadurch erhöht werden.

Deshalb wird deutlich, daß dieser Kopplungsmechanismus, der den Rotor fest an der Antriebswelle anbringt, es ermöglicht, eine
miniaturisierte lagerlose Tachometeranordnung zu schaffen, in
der alle rotierenden Elemente, die Reibung, Abnutzung und Bruch ausgesetzt sind, eliminiert worden sind. Dadurch wird ein einfacher, wirksamer und höchst betriebssicherer Tachometergenerator ermöglicht, der bei hohen Temperaturen und Drehzahlen zu arbeiten vermag.

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Claims

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Lagerloser Wechselstrom-Tachometergenerator mit einem Stator, der zahlreiche Polstücke zur Bildung eines LuftSpaltes und Feldwicklungen aufweist, die jeweils auf den Polstücken angeordnet sind, und mit einem Rotor in Form eines zylindrischen Permanentmagneten, der entlang einem Durchmesser des in dem Statorluftspalt angeordneten Zylinders magnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) aus Kobalt-Samarium hergestellt ist und Mittel zur festen Anbringung des Rotors (10) an einem Antriebsteil (I¹O, derart, daß der Rotor allein durch den Antriebsteil gehalten ist, vorgesehen sind, die.

a) ein ausdehnbares Keilelement (26) zum Eingriff mit einer Öffnung (33) in dem Antriebsteil (1*0, das ein Paar Federfinger (28) aufweist, die für einen Eingriff mit dem Antriebsteil (14) nach außen bewegbar sind,

b) einen bewegbaren Expanderteil (27), der an dem Rotor (10) befestigt ist und an den Federfingern (28) angreift ₃ und

e) Mittel (25, 32) zur Erzeugung einer Bewegung des Expanderteils (27) umfassen, derart, daß die Federfinger (28) nach außen drückbar und diese fest in der öffnung (33) des Antriebsteiles (Ik) verkeilbar sind.
2. Tachometergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Expanderteil (27) zwischen den Federfingern (28) angeordnet ist.
3. Tachometergenerator nach Ans_pruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Federfinger (28) eine Aussparung auf seiner Länge aufweist, die zusammen eine Bohrung (30) zur Aufnahme des Expanderteiles (27) bilden.

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Tachometergenerator nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Bohrung (30) sylinderförmig ist und der Expanderteil (27) ein konisches Stabelement (31) aufweist, durch das die elastischen Finger (28) nach außen drückbar sind, wenn das konische Stabelement (31) entlang der Bohrung (30) bewegt ist.

Tachometergenerator nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet , daß der Expanderteil (27) einen Gewindeabschnitt (32) zur Befestigung an dem Rotor (10) und einen konischen Abschnitt (31) aufweist, durch den bei einer Bewegung des Expanderteiles (27) entlang der Bohrung (30) die Federfinger (28) nach außen drückbar sind.

Tachometergenerator nach Anspruch 5» dadurch gekennzei cn η et , daß der Rotor (10) einen Halterungsteil (22) für den zylinderförmigen Permanentmagneten (35j 36) aufweist und der Halterungsteil (22) mit einer Bohrung (25) mit Innengewinde zur Aufnahme des Gewindeabschnittes (32) des Expanderteils (27) versehen , ist,,wobei bei einer Drehung des Halterungsteiles (22) relativ zu dem ausdehnbaren Keilelement (26) der Expanderteil (27) axial entlang der Bohrung (30) bewegbar ist, die zwischen den Federfingern (28) gebildet ist.

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