DE2333385C2

DE2333385C2 - Lagerloser Wechselstrom-Tachometergenerator

Info

Publication number: DE2333385C2
Application number: DE2333385A
Authority: DE
Inventors: Richard Edwin Lynn Mass. Anderson; Harry Gustav Tewksbury Mass. Swanson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Ametek Aerospace Products Inc
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-30
Publication date: 1983-10-13
Also published as: JPS6013268Y2; US3742264A; FR2191118B1; FR2191118A1; JPS4944205A; IT992595B; GB1381829A; JPS5795071U; DE7324306U; DE2333385A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen lagerlosen Wechselstrom-Tachometergenerator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiger Tachometergenerator Ist aus dem DE-GM 17 70 399 bekannt.

Tachometergeneratoren, die einen Permanentmagnetrotor verwenden, um die erforderlichen Schleifringe zu vermelden, sind seit langer Zelt als Drehzahlmeßvorrlchtungen In Flugzeugen und für andere Zwecke angewendet worden, da diese Generatoren einfach im Aufbau und stabil in der Konstruktion sind. Typischerwelse wird in einem Tachometergenerator ein Permanentmagnetrotor in zwei Lagern gehalten und über eine Unlversalverbindung und ein Verbindungsstück mit der Antriebs- oder Trieowerkwelle verbunden. Eine derartige Anordnung ist einigermaßen angemessen, wenn der Tachometer in einer Umgebung benutzt wird, die hinsichtlich der Betriebstemperaturen keine sehr hohe Beanspruchung darstellt. ίο Werden derartige Tachometergeneratoren jedoch beispielsweise in einem Strahltriebwerk benutzt, werden sie bei hohen Drehzahlen und unter starker Vlbration betrieben und Betriebstemperaturen von sogar 180⁰C ausgesetzt. Unter solch harten Betriebsbedingungen sind die rotierenden Elemente, wie die Lager und Wellenverblndungjmiitel, 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 während des Wartens große Sorgfalt geübt werden, um eine zufällige Beschädigung 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 3^ eine Möglichkeit und erfordert eine große Sorgfalt, um dies zu vermelden. 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 Wechselstrom- oder Gleichstrom-Magnetfeldern ausgesetzt wird, durch die der Rotor entmagnetisiert wird. Wegen der Schwierigkeit, die bei der Reparatur eines Generators ohne Verschlechterung des Rotors auftritt, erfordern Reparatureinrichtungen· teure Magnetlslergeräte, 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 rotierenden Komponenten, die versagen können und eine kontinuierliche und teure Wartung erfordern, wünschenswert, da dann eine kleinere, leichtere, betriebssichere und billigere Vorrichtung möglich sein würde. Um 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 wirksame 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 hochenergetischen Magneten aus Seltenen Erden (s. US-PS 35 40 945) wie z. B. Magnete aus Kobalt-Samarium, die sich durch hohe Koerzltlvkräfte und hohe Restflüsse auszeichnen, macht es zwar möglich, den ^h5 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 1st. Die feste Verbindung der zu messenden Welle und des Rotors, wie sie in dem eingangs genannten DE-GM 17 70 399 beschrieben ist, läßt dagegen eine einfache Wartung mit Demontage, Auswechselung etc. nicht zu.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen miniaturisierten lagerlosen Tachogenerator zu schaffen, der eine lösbare und trotzdem stabile direkte Verbindung zwischen dem Rotor und der Antriebswelle aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einer Drehung des Rotors der bewegbare Expanderteil axial entlang der Bohrung bewegt wird. Diese Bewegung des Expanderteils drückt das geschlitzte ausdehnbare Keilelement nach außen gegen die Öffnung In der Antriebswelle, wodurch der Rotor mit der Antriebswelle fest verbunden wird aufgrund der Keilwirkung, die durch den Stab auf das Keilelement ausgeübt wird. Der Rotor kann auf einfache Weise wieder gelöst werden, indem die Rotordrehung umgekehrt wird, wodurch die Belastung von dem Expanderteil genommen wird. Der Expanderteil kann dann in die axial entgegengesetzte Richtung gestoßen und somit die Keilwirkung gelöst werden. Durch diese lösbare und sich selbst sichernde Verbindung wird also eine schnelle und einfache Montage zu Zwecken der Wartung und/oder Auswechselungen von Bauteilen ermöglicht, so daß auch ein Betrieb bei hohen Temperaturen und Drehzahlen möglich Ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 Ist ein; auseinandergezogene perspektivische Darstellung von dem Tachometergenerator und der Kopplungseinrichtung.

Flg. 2 Ist eine Seltenansicht von dem zusammengebauten Rotor und der Antriebswelle.

Fig. 3 Ist eine Endansicht der Antriebswelle nach einem Schnitt entlang der Linie 3-3 In Flg. 1 und zeigt die Öffnung in der Antriebswelle zur Aufnahme der Rotor-Kopplung.

In Fig. 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 Wellenkopplungseinrlchtung 13, um den Rotor 10 fest mit der Antriebswelle 14 zu verbinden. Die Antriebswelle 14, die Im Falle eines Stahltriebwerkes beispielsweise von dem Stahltriebrotor 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 1st ein Stator angebracht, der eine zylindrische Feldstruktur aus magnetischem Material trägt, die drei gleich beabstandete, radial vorstehende Pole 15, 16 und 17 aufweist. Die Pole 15, 16 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 12 herausgeführt sind. Der Rotor 10 wird durch die Welle 14 angetrieben, und sein magnetisches Feld erzeugt eine Spannung in den Wicklungen 18 bis 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 erzeugen. Das Gehäuse 12 weist einen Befestigungsflansch und zahlreiche Befestigungslöcher 21 auf, um eine direkte Befestigung des Tachometers an dem Triebwerksgehäuse oder an einem geeigneten Befestigungsansatz zu gestatten, der zu der Antriebswelle gehört.

Der Rotor 10 ist ein Permanentmagnetrotor, der entlang einem Durchmesser magnetisiert ist, um Nord- und Südrvole zu erzeugen, wie es in Fig. 1 durch die Buchstaben A und S angedeutet ist. Um 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 einr gesinterte Legierung aus Seltenen Erdmaterialien, nämlich Samarium und Kobalt, bestehend aus:

Kobalt
Samarium

63% 31%.

Der Roto; 10 Ist an einer Rotorhalterungsvorrlchtung 22 befestigt, die mit der Kopplungsvorrichtung 13 zusammenarbeitet, um den Rotor 10 an der Antriebswelle 14 zu befestigen. Die Halterungsvorrichtung 22 weist eine hexagonale 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 verkellt wird.

Der Rotor 10 besteht aus einem Zylinder aus g2Sintertem Kobalt-Samarium, das in einem Hohlzyilnder aus rostfreiem Stahl gehalten Ist, an dem es mittels eines geeigneten Klebemittels 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 mitiels eines Epoxy-Klebers befestigt, so daß der Rotor 10 und die Halterungsvorrichtung 22 eine einstückige Baueinheit bilden.

Der Rotor ist an der Antriebswelle 14 mittels der Kopplungsvorrichtung 13 fest angebracht, die aus einem geschlitzten, ausdehnbaren Keilelement 26 und einem damit zusammenarbeitenden konischen Expanderteil 27 besteht, die zusammenwirken, um die Kellwirkung zu liefern, die den Rotor 10 mit der Antriebswelle 14 verklemmt. Das Keilelement 26 weist einen quadratischen Schaft auf, der an einem teilweise geschlitzten zylinderförmlgen Becher 29 angebracht ist. Der Schaft ist geschlitzt, um zwei dreleckförmlge elastische Finger 28 zu bilden. Jeder Finger weist eine halbkreisförmige Aussparung auf, die sich entlang der Schlitzlänge erstreckt, um eine Mittelbohrung 30 zu bilden, die mit der Gewindebohrung 25 In der Rotorhalterungsvorrichtung 22 axial fluchtet.
P^r 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 Rotorhalterungsvorrlchtung 22 angreift.

Bei den in Fig. 1 dargestellten Relationen drückt eins Bewegung des Stabes 31 nach links die Federfinger 28 nach außen und verkellt sie fest gegen die Innenwand der Öffnung 33 in der Antriebswelle 14, wie es am deutlichsten aus Flg. 3 zu ersehen ist. Ein quer verlaufender Führungsstift 34 geht von dem konischen Stab 31 aus und reitet In den Schlitzen, die durch die Federfinger 21? gebildet werden. Der Führungsstift 34 verhindert eine Drehung des konischen Stabes in der Bohrung und stellt eine axiale Bewegung des Stabes 31 Immer dann sicher, wenn der Rotor 10 an der Antriebswelle 14 festgeklemmt werden soll.

Fig. 2 stellt den Rotor 10, die Antriebswelle 14 und die Kopplungsvorrichtung 13 In der zusammengebauten Lage dar. Der Rotor 10 umfaßt, wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, einen Haliezyllnder 35. der beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und der einen Zylindermagneten 36 aus gesintertem Kobalt-Samarium umgibt. Der gesinterte Magnet 36 Ist an dem Zylinder mittels eines Epoxy- oder eines ähnlichen Klebemittels befestigt. Der Rotor 10 ist an der Oberfläche der Rotorhalterungsvorrichtung 22 ebenfalls durch einen Epoxy-Kleber oder ein ähnliches Klebemittel befestigt, das auf die Oberfläche der Halterungsvorrichtung 22 gesprüht und entweder bei Raumtemperatur durch Verwendung geeigneter Härtungsmittel oder durch Erwärmung des Epoxyharzes ausgehärtet wird. Der geschlitzte zylinderförmige Becher 29, der Teil des Keilelementes 26 ist, paßt über die Zapfenwelle 23 der Rotorhalterungsvorrichtung 22 und die elastischen Finger 28 sind in die Öffnung 33 der Antriebswelle 14 eingesetzt. Eine Öldichtung 38 ist zwischen der Welle 14 und dem Triebwerksgehäuse 39 angeordnet, in der die Welle angebracht ist. Der konische Abschnitt 31 des Expanderteils 27 ist in der Bohrung 30 angebracht, und das Gewindeende 32 ist von der Bohrung 25 der Zapfenwelle 23 aufgenommen.

Fig. 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 13 lose In die Antriebswelle 14 paßt und einfach durch Ziehen nach links herausgenommen werden kann. Die Kopplungsvorrichtung 13 wird dadurch befestigt, daß die Rotorhalterungsvorrlchtung 22 gedreht wird, so daß sich das Gewindeende 32 des Expanderteils 27 nach links bewegt. Der konische Stab 31 bewegt sich ebenfalls nach links und erzeugt dabei eine Kellwirkung, die die Federfinger 28 nach außen und in einen Eingriff mit der Wand der Kammer 33 In der Antriebswelle drückt. Der maximale Durchmesser des konischen Stabes 31 Ist größer als der normale Durchmesser der Bohrung 30 In dem Keilelement 26, so daß durch Drehen der Rotorhalterungsvorrichtung 22 der konische Stab axial an der Bohrung 30 entlangbewegt wird, wodurch eine Keilwirkung auf die Finger 28 erzeugt und die Antriebswelle 14 und der Rotor 10 fest und miteinander verbunden werden.

Der Rotor 10 kann dadurch wieder aus der Antriebswelle 14 herausgelöst werden, so daß einfach das Rotorhalterungselement 22 in der entgegengesetzten Richtung gedreht und der konische Stab 31 genügend nach rechts gedrückt wird, um die Kellkraft auf die Federfinger 28 zu lösen, wodurch der Rotor 10 gelöst und die Rotorhalterungsvorrichtung 22 aus der Antriebswelle 14 freigegeben werden.

Somit wird deutlich, daß die Kopplungsanordnung für die feste Verbindung des Rotors 10 mit der Welle 14 sich aufgrund der durch den Rotor 10 erzeugten Radialkräfte praktisch nicht lösen kann, da 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 31 erzeugen. Diese Zugkraft auf das Gewindeende 32 versucht dabei, den konischen Stab 31 weiter nach links und welter in die Bohrung 30 des Keilelementes 26 hinein zu bewegen und die Kellkraft gegen die Federfinger 28 zu erhöhen. Somit erhöhen die Zugkräfte, die durch die radialen Kräfte des Rotors erzeugt werden, auf einfache Weise die Haltekraft. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und die allgemeine Effektlvität der Kopplungseinrichtung wesentlich erhöht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Lagerloser Wechselstrom-Tachometergenerator mit einem in einem Gehäuse gehalterten 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 und der an einem Antriebstell (14) fest angebracht ist derart, daß der Rotor allein durch den Antriebsteil gehalten ist, gekennzeichnet durch

a) ein ausdehnbares Kellelement (26), das in eine Öffnung (33) in dem Antriebsteil (14) einsetzbar ist und -2in 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, und

c) Mittel (25, 32) zur Erzeugung einer Bewegung des Expanderteils (27) derart, daß die Federfinger (28) nach außen drückbar und diese fest In der Öffnung (33) des Antriebsteiles (14) verkeilbar sind.
2. Tachometergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Expanderteil (27) zwischen den Federfingern (28) angeordnet ist.
3. Tachometergenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Federfinger (28) eine Aussparung auf seiner Länge aufweist, die zusammen eine Bohrung (30) zur Aufnahme des Expanderteiles (27) bilden.
4. Tachometergenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (30) zyllnderförmig 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 1st.
5. Tachometergenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Expanderteil (27) einen Gewindeabschnitt (32) zur Befestigung am Rotor (10) und zur Bewegung des Expanderteiles (27) entlang der Bohrung (30) aufweist.
6. Tachometergenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) einen Halterungstell (22) für den zylindrischen Permanentmagneten (35, 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 Halterungsteils (22) relativ zu dem ausdehnbaren Keilelement (26) der Expanderteil (27) axial entlang der Bohrung (30) bewegbar Ist.