DE2418099C2

DE2418099C2 - Asynchrone, synchronisierbare magnetische Kupplung

Info

Publication number: DE2418099C2
Application number: DE2418099A
Authority: DE
Inventors: Raymond Lucien Paris Carrière; Henri Montmorency Fehr
Original assignee: Compagnie de Construction Mecanique Sulzer
Current assignee: Compagnie de Construction Mecanique Sulzer
Priority date: 1974-01-22
Filing date: 1974-04-13
Publication date: 1982-05-19
Also published as: FR2258736A1; JPS50102755A; CH588783A5; FR2258736B1; BE824555A; US3974408A; NL7500328A; DE2418099A1; GB1472006A; LU71689A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine asynchrone, synchronisierbare magnetische Kupplung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese Merkmale sind aus der GB-PS 12 20 145 bekannt.

Es sinrt bereits magnetische Kupplungen zur Übertragung von Drehbewegungen bekannt, mit mindestens einer Erregerwicklung oder einem Permanentmagnet bzw. mehreren Permanentmagneten, die ein rotationssymmetrisches, magnetisches Feld induzieren; ferner mit einem treibenden und einem getriebenen Rotor, die koaxial nebeneinander, um die Achse des rotationssymmetrischen Luftspahes drehbar, gelagert sind und mindestens teilweise aus einem Material mit guter magnetischer Permeabilität bestehen (GB-PS 12 20 145, DE-PS 9 47 394, DE-GM 17 35 711).

Bei den Drehkupplungen unterscheidet man die beiden folgenden Bauweisen:

1. Synchron-Kupplungen, deren treibender und getriebener Rotor normalerweise mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit drehen. Wenn ein Drehmoment übertragen wird, folgen die Pole des getriebenen Rotors demjenigen des treibenden Rotors mit einem Nachlaufwinkel, dessen Größe von der übertragenen Last abhängig ist. Tritt ein Schlupf auf (d. h. eine Relativbewegung zwischen den beiden Rotoren), mit anderen Worten außerhalb des synchronen Betriebszustandes, sind die durch eine soiche Kupplung übertragbaren Drehmomente sehr gering.

2. Asynchron-Kupplungen können demgegenüber nur ein Drehmoment übertragen, wenn ihre beiden Rotoren mit verschiedener Winkelgeschwindigkeit drehen. Diese Kupplungen weisen eine Übertragungscharakteristik für das Drehmoment in Funktion des Schlupfes auf, die in der Nähe des dem Schlupf 0 entsprechenden Punktes ungefähr proportionalen Verlauf hat.

Es ist bereits eine asynchrone, synchronisierbare Kupplung für die Übertragung einer Drehbewegung bekannt, deren Drehmoment in Funktion des Schlupfes die Merkmale beider obenerwähnter Kupplungsarten aufweist. Bei drehendem, treibendem Rotor und zunächst stillstehendem, getriebenem Rotor tritt beim Einschalten des Erregerstromes ein großes asynchrones Anlaufdrehmoment auf, das den getriebenen Rotor in Drehung versetzt und bis auf die Drehgeschwindigkeit des treibenden Rotors beschleunigt, worauf die beiden

Rotoren im Gleichlauf, d.h. im Synchronbetrieb iveiterlaufen.

Bei der beispielsweise in Betracht zu ziehenden Ausführungsform nach Fig. 10 bis 13 der GB-PS 12 20 145 handelt es sich um zwei aneinandergebaute, -, funktionell unabhängig voneinander wirksame Kupplungselemente mit getrennten Teilluftspalten, von denen das eine (Schnitt Fig. 12) eine reine Asynchron- und das andere (Schnitt Fig. 11) eine Synchronkupplung bildet, die in Bezug auf den magnetischen Fluß in Serie m geschaltet sind. Die Polkränze der beiden Kupplungen haben verschiedene Polteilungen und Querschnitte. Jeder der beiden Kränze weist an seinem Umfang eine Anzahl zahnförmiger Pole auf, deren Winkelteilung und Querschnitt verschieden sind. Die Zähnung mit der größeren Winkelteilung bewegt sich gegenüber einer am anderen Rotor angebrachten, ringförmigen Schicht aus elektrisch leitendem Material. Sie kann dadurch ein asynchrones Drehmoment übertragen. Die Zähne mit dem kleineren Teilungswinkel stehen ihrerseits im Falle des Stillstandes bzw. eines Gleichlaufs der beiden Rotoren jeweils den Zähnen eines auf dem andern Rotor angebrachten Zahnkranzes gleicher Zahnteilung gegenüber und übertragen ein synchrones Drehmoment. Der magnetische Kreis umfaßt insgesamt drei Polkränze und vier Teilluftspalte und weist somit einen verhältnismäßig hohen magnetischen Widerstand (Reluktanz) auf, so daß zur Erzielung einer genügend hohen Flußdichte eine hohe Amperewindungszahl benötigt wird und der Wirkungsgrad der Maschine entsprechend jo begrenzt bleibt. Bedingt durch den Aufbau der beiden axial nebeneinander auf derselben Achse angeordneten Kupplungen ist der Platzbedarf beträchtlich. Es sind keinerlei Mittel vorgesehen, um das Verhältnis zwischen dem zu übertragenden Asynchron- und dem Synchron- j5 moment zu verändern bzw. besonderen Betriebsbedingungen anzupassen, ohne daß die Form oder die Abmessungen der übrigen Teile der Kupplung ebenfalls verändert werden müßten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei gutem Wirkungsgrad den Verlauf des zu übertragenden Drehmomentes in Funktion des Schlupfes und insbesondere das Verhältnis

C₁,

zwischen dem maximal

übertragbaren Asynchron- und dem Synchronmoment an die Forderungen eines konkret vorliegenden Anwendungsfalles optimal anzupassen, indem mindestens ein von Fall zu Fall entsprechend zu bemessendes Bauelement vorgesehen wird, während am übrigen Aufbau der Kupplung nichts geändert zu werden jo braucht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definierten Maßnahmen gelöst. Durch die Verringerung der Zahl der Teilluftspalte von 4 auf 3 wird eine merkliche Verbesserung des Wirkungsgrades und eine Reduktion der Außenabmessungen des Gehäuses erzielt. Eine geeignete Bemessung der elektrisch leitenden Schicht erlaubt es, mit einfachen Mitteln das Verhältnis zwischen dem Asynchron- und dem Synchrondrehmoment an die besonderen, für einen gegebenen Anwendungsfall vorgeschriebenen Betriebsbedingungen zu erfüllen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein ringförmiges, nicht magnetisierbares, elektrisch leitendes, glattes Band an den Polscheiteln eines der Rotorkränze angebracht, wobei die Breite des Ringes einem Bruchteil der Breite des zwischen den beiden Rotorkränzen befindlichen Teilluftspaltes entspricht

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die zahnförmigen Pole eines der Rotorkränze in regelmäßigen Abständen gruppenweise über dessen Umfang verteilt und die Rotationsfläche zwischen den Polgruppen ist durch eine glatte, auf der Höhe der Polspitzen verlaufende, elektrisch leitende Schicht abgedeckt

Bei den beiden letztgenannten Ausführungsformen der Erfindung kann das Flächenverhältnis

( — bzw. 1

\ß b-a)

zwischen den durch elektrisch leitende Bänder oder Schichten abgedeckten und den zahnförmige Pole aufweisenden Teilen der Rotationsflächen entsprechend dem vorgegebenen Verhältnis zwischen dem größten synchronen Drehmoment (C_smax)und dem asynchronen Drehmoment (C₃ max) gewählt sein, das die Kupplung zu übertragen hat

Um größere synchrone und asynchrone Drehmomente übertragen zu können, kann wenigstens einer der Polkränze entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel regelmäßig über den ganzen Umfang des zwischen den beiden Kränzen bestehenden Teilluftspaltes verteilt zahnförmige Pole aufweisen (GB-PS 12 20 145, Fig. H).

Wenn die Pole des einen Rotorkranzes, wie dies für eine weitere Ausführungsform vorgesehen ist, zwar die gleiche Winkelteilung aufweisen wie diejenigen des andern Rotorkranzes, wobei jedoch ihre in Umfangsrichtung in Winkelgraden gemessene Breite vor derjenigen der Pole des zweiten Kranzes abweicht, so kann in an sich bekannter Weise ein anderer, beispielsweise flacherer Verlauf des synchronen Drehmomentes bei kleinem Verdrehungswinkel zwischen den beiden Rotoren erzielt werden.

Um das bei asynchronem Lauf übertragene Drehmoment zu erhöhen, können in den zwischen den zahnförmigen Polen bestehenden Aussparungen mindestens eines der beiden Polkränze massive oder rohrförmige Leiterstäbe eingelegt sein (GB-PS 12 20 145, Fig. 17). V/enn die Enden dieser Leiterstäbe durch Kurzschluß-Segmente oder -Ringe untereinander verbunden sind, bilden sie eine Art von Käfiganker, wie er bei Asynchronmotoren an sich bekannt ist.

In der nachfolgenden Einzelbeschreibung werden anhand der zugehörigen Zeichnungen besondere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kupplung näher erläutert.

Fi g. 1 ist eine Schnittzeichnung der erfindungsgemäßen Kupplung in einer durch die Symmetrieachse bestimmten Ebene.

F i g. 2 ist eine Schnittzeichnung gemäß H-II in F i g. 1.

F i g. 4 verdeutlicht in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit der Fig. 2.

Die F i g. 3 und 5 zeigen charakteristische Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Kupplung gemäß F i g. 1 und 2.

In Fig. 1 bezeichnen 1 und 2 die treibende und die getriebene Welle, die gleichachsig, jede in der Verlängerung der andern, angeordnet sind. In der dargestellten Form ist der angetriebene Wellenstumpf 2 mit Hilfe von zwei Kugellagern 3a, 3b frei drehbar gelagert. Er befindet sich in einer zylindrischen Bohrung 4 des Magnetkerns 5, der ebenfalls zylindrische Form aufweist und symmetrisch zur gemeinsamen Achse A

angeordnet ist. Am rechten Ende (in Fig. 1) des Magnetkerns 5 ist eine torusförmige Erregerwicklung 6 aufgesteckt, die über die Anschlußdrähte Ta und 76 mit einem Erregerstrom geeigneter Art gespeist wird, insbesondere durch einen gleichgerichteten Wechselstrom oder durch Gleichstrom. Der Magnetkern 5 mit der Wicklung 6 wird durch ein Gehäuse ergänzt, das im wesentlichen aus einem ringförmigen Teil 8 besteht, das am rechten Ende des Kerns 5, z. B. durch Schrauben 9, befestigt ist und eine Aussparung 10 für die Anschlußdrähte Ta und 76 besitzt. Ein weiteres, zylinderförmiges Element 11, das koaxial zum Kern 5 montiert ist, bildet mit dem letzteren den ringförmigen Luftspalt E des Stators.

Am linken Ende der getriebenen Welle, die aus der Bohrung 4 des Magnetkerns 5 herausragt, ist ein Rotor 12, der »angetriebene Rotor« befestigt, dessen Kranz 126,13 aus einem magnetisch hoch permeabien Material besteht und entweder massiv oder als Blechpaket ausgeführt ist (das dargestellte Beispiel bezieht sich auf einen massiven Rotorkranz). Der Rotor besteht aus einem ersten, flanschförmigen Teil 12a, der magnetisierbar oder nicht sein kann, und einem zylindrischen Kranzteil 126, der vom Flansch 12a getragen ist und in den Luftspalt E hineinragt, derart, daß seine glatte zylindrische Oberfläche zur Achse A hingewendet ist und mit der äußeren zylindrischen Oberfläche des Kerns 5 einen Teilluftspalt ei bildet. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die andere zylindrische Oberfläche des Kranzes 126 zahnförmige Pole 13 aufweist, die über den ganzen Umfang des Kranzes 126 regelmäßig verteilt sind. Die Pole werden vorteilhafterweise aus dem gleichen magnetisch permeabien Material ausgeführt wie der Kranz selbst.

Nach einer ersten Ausführungsform umgibt ein ringförmiges, metallisches Band 20 mit glatter Oberfläche koaxial zur gemeinsamen Achse den Kranz 126. Seine Breite a ist kleiner als diejenige 6 des Teilluftspaltes ei. Das Band wird in einer entsprechenden Aussparung der Zahnspitzen 13 eingebettet. Das

Verhältnis - ~ entspricht damit dem Verhältnis

zwischen dem Oberflächenteil des Kranzumfanges, der durch das leitende Band 20 abgedeckt ist und der die zahnförmigen Pole 13 aufweisenden Fläche. Durch eine derartige Anordnung kann jedes gewünschte Verhältnis zwischen dem maximalen synchronen Drehmoment Q _max und dem asynchronen Drehmoment C₁ verwirklicht werden, das die Kupplung übertragen soll. Es genügt dazu, in an sich bekannter Weise das Verhältnis

und/oder die geometrischen Abmessungen der zahnförmigen Pole 13 und/oder 17 entsprechend zu u£5 iliiiiiiCn.

Anstelle oder zusätzlich zum ringförmigen Band 20 auf dem Rotorkranz 126 kann ein analoges, elektrisch leitendes Band 21 auf dem anderen Kranz 146 angeordnet sein, wie dies in der in F i g. 4 dargestellten Skizze ersichtlich ist Diese Figur zeigt gleichzeitig eine Anordnung, bei der die Breite dder Zähne 13a des einen Rotorkranzes 126, in Umfangsrichhing gesehen, von derjenigen d' des andern Kranzes 146 verschieden ist, obschon die Winkelteilung P für beide Polkränze dieselbe ist.

Am Ende der treibenden Welle 1, das der getriebenen Welle 2 zugekehrt ist ist ein Flansch 14a aus unmagneüsierbarem Material aufgekeilt Auch dieser trägt an seinem Umfang einen zylindrischen Kranz 146 aus magnetisierbarem, massivem oder als Blechpaket aufgebautem Material. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Kranz 146 mit dem nicht magnetisierbaren Flansch 14a den treibenden Rotor 14 darstellt. Beide Rotorkränze 126 und 146 ragen konzentrisch in den Luftspalt E hinein, so daß zwischen ihnen ein Teilluftspalt £2 entsteht. Zwischen dem glatten, äußeren Umfang des Kranzes 146 und der Innenfläche des Gehäuseteils 11 besteht der schmale Teilluftspalt e3. An der inneren zylinderförmigen Oberfläche des Kranzes 146, die den Teilluftspalt ei begrenzt und gegen den andern Kranz 126 hin gerichtet ist, sind in regelmäßigen Abständen, wie aus der F i g. 2 ersichtlich, metallische Streifen 16a, 166, 16c mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und dazwischen Pol- oder Zahngruppen 17a, 176 usw. angeordnet, die vorteilhafterweise aus dem gleichen magnetisierbaren Material bestehen wie der Kranz 146. Metallische Bänder 16a, 166 usw. und Zahngruppen 17a, 176 usw. haben jeweils unter sich den gleichen Zentrumswinkel α bzw. ß, wobei α und β verschieden große Winkel sein können. Das Verhältnis

-^-entspricht wiederum dem Verhältnis der Flächenteile der Metallbänder einerseits und der mit zahnförmigen Polen besetzten Fläche anderseits. Dieses Verhältnis kann frei gewählt werden, um das gewünschte Verhältnis zwischen dem maximalen, synchronen Drehmoment C₅ max und dem asynchronen Drehmoment C_a zu wählen, das die Kupplung zu übertragen hat. Die metallischen Bänder 16a, 166 usw. können beispielsweise aus einem dünnen, leitenden Blech bestehen, das durch eines der bewährten, an sich bekannten Mittel auf der inneren Rotationsfläche des Kranzes 146 befestigt ist. Die leitende Schicht kann aber auch durch Elektrolyse aufgebracht sein. Jede Zahngruppe 17a, 176 usw. besitzt die gleiche Anzahl Zähne 17. Die Winkelteilung P dieser Zähne (siehe auch Fig. 4) ist gleich groß wie diejenige der Zähne 13 des angetriebenen Rotors 12.

In der dargestellten Anordnung sind massive Leiterstäbe 18a, 186 in die Zwischenräume zwischen die Zähne 17 jeder Gruppe 17a, 176 usw. eingebettet, und die Enden der Leiterstäbe einer Gruppe 18a, 186 sind durch Kurzschluß-Segmente, beispielsweise Ringabschnitte 19 (Fig. 1), miteinander verbinden. Die massiven Leiterstäbe 18a, 186 können aus dem gleichen Material bestehen wie die elektrisch leitenden Bänder 16a, 166,16c oder einem andern gut leitenden Metall. Es ist nicht notwendig, sie vom magnetisierbaren Metallteil der Kränze 146 zu isolieren. Statt massiv ausgeführt zu sein, können diese Leiterstäbe auch hohl, z. B. als Rohre, ausgebildet sein.

Die Wirkungsweise der magnetischen Kupplung, wie sie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist ist wie folgt:

Sobald ein elektrischer Gleichstrom oder ein gleichgerichteter Wechselstrom von geeigneter, einstellbarer Stromstärke /über die Anschlußdrahte 7a und 76 an die Erregerwicklung 6 angelegt wird, wird im ringförmigen Luftspalt E ein ebenfalls zur Achse A konzentrisches, rotationssymmetrisches magnetisches Feld induziert Die magnetischen Kraftlinien durchdringen den Luftspalt E im wesentlichen in radialer Richtung, und zwar verlaufen die Kraftlinien durch die drei Teilluftspalte ei, e* und ea und die magnetisierbaren Kränze 126 und 146, so daß sie beispielsweise aus den zahnförmigen Polen 13 des ersten Kranzes austreten und in die entsprechenden Pole 17 des zweiten Kranzes eindringen, die im betreffenden Augenblick den Polen

13 gegenüberstehen. Der magnetische Kreis schließt sich damit über die Teile 5, 8, 11, 126 und 146 sowie die Luftspalte ei, ei und ej. Je nach der augenblicklichen Lage der beiden Rotoren zueinander ändert sich der magnetische Widerstand (Reluktanz) des magnetischen Kreises. Aus Fig.4 ist deutlich ersichtlich, daß der magnetische Widerstand dann am kleinsten ist, wenn die Symmetrieachsen der einzelnen Zähne der beiden Rotoren übereinstimmen (0 = 0). Sie ist am größten, wenn die Symmetrieachsen der Zähne des einen Rotors mit den Winkelhalbierenden der Achsen zweier gegenüberliegender Zähne des anderen Rotors übereinstimmen (Θ = Θο). d.h. einer Stellung, in der sich die beiden Rotoren in einer unstabilen Gleichgewichtslage zueinander befinden, nach deren Durchlauf die Zähne des ersten Kranzes von den nachfolgenden Zähnen des andern Kranzes angezogen werden.

Nach dem an sich bekannten Prinzip kann die synchrone Betriebsart des Kupplers wie folgt beschrieben werden: Für 0 = 0 weist der oben beschriebene Magnetkreis einen minimalen magnetischen Widerstand auf. Wenn der Kranz 14ύ des treibenden Rotors

14 um einen Winkel Θ gegenüber dem getriebenen Kranz 12 verdreht wird, nimmt der magnetische Widerstand zu und die beiden Kränze erfahren ein Rückstelldrehmoment C₅, das sich in Funktion des Winkels Θ und der Stromstärke /in der Erregerwicklung 6 nach einer der Kurven ändert, die beispielsweise in F i g. 3 für vier verschiedene Werte von i, nämlich stufenweise zunehmend von k—h angedeutet sind. Es ist daraus ersichtlich, daß das Rückstellmoment je nach der Richtung des Verdrehungswinkels zwischen einem positiven Maximum und einem negativen Minimum von der Größe C_{4 m}« schwankt, die jeweils für einen Verdrehungswinkel 0=±0_ma, auftreten. Die Kurvenform hängt dabei von der geometrischen Form der Pole des Luftspaltes und der darin induzierten, magnetischen Feldstärke ab. Die Rückstellkraft wird wieder zu Null für Θ = ±Θο, bevor sie ihre Richtung ändert.

Das synchrone Drehmoment C, hängt daher bei gleich bleiben der Erregung einzig von der gegenseitigen Lage der beiden Kränze 12a und 140, genauer gesagt ihrer Zähne 13 bzw. 17 ab. Es ist völlig unabhängig von der Geschwindigkeit /Ji = /22, mit der die beiden Rotoren synchron drehen. Das Rückstellmoment besteht also auch bei Stillstand, und man kann das Moment C₅ als statisches Moment betrachten. Der Punkt C_sma> mit Abszisse Null in der Fig. 5 (g=0) entspricht dem maximalen, synchronen Rückstellmoment, das die Maschine für eine bestimmte Erregerstromstärke entwicklen kann. Für eine gegebene Kupplung hängt sein Wert einzig von der Zahngeome trie und von der im Luftspalt induzierten, magnetischen Feldstärke ab. Anderseits induzieren die Zähne 13 und 17 der beiden Kränze 12f> und 14b, solange der treibende und der getriebene Rotor synchron umlaufen, theoretisch keinerlei Wirbelströme, weder in den metallischen Bändern 16a, 166 usw. noch in den ringförmigen Bändern 20, 21 oder in den kurzgeschlossenen Leiterstäben der Gruppen 18a, 186usw.

Demgegenüber werden im asynchronen Betrieb in den genannten leitenden Schichten oder Stäben Foucaultsche Wirbelströme induziert, d.h. sobald ein Schlupf

zwischen den beiden Rotoren auftritt (n\ und nj stellen die Umdrehungszahlen pro Minute der treibenden (1) und der getriebenen Welle (2) dar). Die Pole 13 des

. getriebenen Rotors laufen dann sowohl über die leitenden Schichten 16a, 16ö usw. oder 21 als auch über die massiven, kurzgeschlossenen Leiterstäbe 18a, 18£> hinweg. Analog dazu bewegen sich die Zähne 17 des treibenden Kranzes 14£> über das ringförmige Band 20 des angetriebenen Kranzes 126 hinweg. Die induzierten Wirbelströme und die aus den Zähnen 13 und 17 der beiden Kränze austretenden, magnetischen Kraftlinien wirken in der Weise zusammen, daß der angetriebene Rotor 12 einem sogenannten »asynchronen« Drehmoment C unterworfen wird, das die Tendenz hat, der physikalischen Ursache seiner Entstehung entgegenzuwirken, d.h. die relative Drehbewegung zwischen den beiden Rotoren aufzuheben. Der angetriebene Rotor wird somit im gleichen Drehsinn mitgerissen wie der treibende Rotor 14. Die Kurve G, der Fig. 5 stellt die Änderung dieses Drehmomentes in Funktion des Schlupfes g zwischen den beiden Rotoren für einen bestimmten Erregerstrom / dar. In beiden Richtungen vom Nullpunkt aus gesehen (synchroner Zustand) nimmt das asynchrone Drehmoment zu bis zu einem maximalen Wert, und zwar je nach dem Drehsinn + oder —Cama». Darüber hinaus nimmt das asynchrone Drehmoment langsam ab.

Es ist bekannt, daß durch eine geeignete Wahl der Abmessungen sowohl der verschiedenen Bauelemente als auch des Erregerstroms die Möglichkeit besteht, das maximale Drehmoment C„_ma»-bei einem Schlupf g—\ zu erreichen. Dieser Wert ist besonders vorteilhaft, wenn es sich darum handelt, einen mit einer konstanten Geschwindigkeit η 1 drehenden, treibenden Rotor mit einem stillstehenden (/72 = 0), getriebenen Rotor zu koppeln.

Bei asynchronem Betrieb wirken zu jeder Zeit gleichzeitig sowohl das asynchrone Drehmoment C₂ als auch das synchrone Drehmoment C, auf den getriebenen Rotor.

Ihre Wirkungen überlagern sich somit. Während aber das asynchrone Drehmoment C₁ immer in die gleiche Richtung zieht, nämlich in dem Sinne, daß sich der getriebene Rotor 12 in der Drehrichtung des treibenden Rotors 14 bewegt bzw. beschleunigt wird, ohne jemals völlig dessen Geschwindigkeit zu erreichen (Π2 — Πι; g-*0), — was auf die Verluste des Systems und die Tatsache zurückzuführen ist, daß C_a mit der relativen Verdrehungsgeschwindigkeit abnimmt — ist das synchrone Drehmoment C₅ pulsierend, d. h. abwechselnd treibend, dann wieder bremsend, solange die beiden Rotoren mit verschiedenen Geschwindigkeiten, d. h. asynchron, laufen. Bei jedem Durchlauf eines Poles 17 des antreibenden Rotors 14 vor einem Pol 13 des angetriebenen Rotors 12 durchläuft das synchrone Drehmoment (gemäß einer Kurve C₁,= f(i) der Fig.3 für einen bestimmten Erregerstrom i) eine Periode von Null (für 0 = + Θο) über einen positiven Maximalwert Cs,m^x (für 0= +Oma) erst im gleichen Sinne wie das asynchrone Moment, dann nimmt es nach einem Durchgang durch Null (für 0 = 0) einen gleich großen Maximalwert in entgegengesetztem Sinne an (tiefster Punkt der Kurve -Cs, mm für Q= — 0_max) und erreicht wieder den Wert Null für Θ = — Q₀. Die Kurve wiederholt sich in gleichem Sinne beim Durchlauf vor jedem der aufeinanderfolgenden Pole.

Im asynchronen Betrieb, d. h. solange der Unterschied zwischen den Drehgeschwindigkeiten der beiden Rotoren groß ist werden die aufeinanderfolgenden.

positiven und negativen Impulse des synchronen Drehmomentes G durch die Schwungradträgheit des angetriebenen Rotors und der damit verbundenen Massen absorbiert und ausgeglichen, so daß das synchrone Drehmoment G praktisch wirkungslos ist und einzig das asynchrone Drehmoment G von der Kupplung übertragen wird.

In der Nähe des Synchronismus, d.h. wenn die Drehgeschwindigkeit des angetriebenen Rotors 12 sich derjenigen des antreibenden Rotors 14 nähert (ri2^n\\ g-<-0), verlangsamt sich die Periode der positiven und negativen Impulse des Drehmomentes G, und in einem bestimmten Augenblick ist die Summe des asynchronen Drehmomentes G und des positiven Impulses des synchronen Momentes C/+0o>0>O) groß genug, (dank dem asynchronen Moment G) um den angetriebenen Rotor im Laufe der Halbperiode so weit zu beschleunigen, daß der darauffolgende, negative Impuls von G (Ο>Θ-Θο) nicht mehr genügt, um den angetriebenen Rotor soweit zu verzögern, daß der gegenseitige Verdrehungswinkel Θ zwischen den beiden Rotoren über den Grenzwert — Θ_ο zurückläuft. In diesem Augenblick tritt die Kupplung plötzlich vom asynchronen zum synchronen Betrieb über. Nach einigen gedämpften Schwingungen des gegensei'igen Winkels Θ zwischen den Grenzen -Θο<Θ< +Θο stabilisiert sich dieser Verdrehungswinkel Θ auf einen Zwischenwert, der durch die Belastung der Kupplung bestimmt ist.

Das synchrone Drehmoment C treibt nunmehr allem 3u den angetriebenen Rotor mit der Synchrongeschwindigkeit πι. Das asynchrone Drehmoment G verschwindet, da keine gegenseitige Relativbewegung zwischen den beiden Rotoren mehr besteht.

Das Anlaufen (Einkuppeln) und das Synchronisieren können wie folgt anhand der F i g. 5 beschrieben werden: Im Ausgangszustand dreht der treibende Rotor 14 mit einer konstanten Geschwindigkeit n\. Der angetriebene Rotor befindet sich zunächst in Ruhe (Π2 = 0); der Schlupf ist

„=

"1

Wird nun ein Erregerstrom ; eingeschaltet, so wird der angetriebene Rotor angekoppelt und durch ein asynchrones Moment + G_mal angetrieben, wie es dank der geeigneten Wahl der einzelnen Bauelemente der Kupplung erreicht werden kann. Der Rotor beschleunigt sich (n₂ nimmt zu) und der Schlupf g nimmt ab. Der Arbeitspunkt folgt der Kurve C₃ von rechts nach links bis zum Obergangspunkt M mit Abszisse g= + m, dessen genaae Lage in bekannter Weise durch den magnetischen Fluß im Luftspalt zwischen den Polen durch die Abmessungen der letzteren, durch die magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Kupplung, durch das Lastmoment und das Trägheitsmoment der angetriebenen Maschine bestimmt ist, wobei die einzelnen Größen entsprechend gewählt werden können. Insbesondere kann durch das Verhältnis

— bzw.

b-a

60

zwischen den Flachen der mit leitenden Schichten bzw. mit Polen versehenen Teilen der an den Teilluftspalt S₂ grenzenden Oberfläche des Rotors die Lage des Punktes M in weiten Grenzen verändert werden. Im Punkt M »schnappt« die Kupplung im Synchronbetrieb ein, wie dies bereits beschrieben wurde, und die beiden Rotoren drehen schließlich mit gleicher Geschwindigkeit (7)i=/?2; Jf=O). Die treibende Welle 1 zieht die getriebene Welle 2 mit sich und die beiden Rotoren bleiben um einen im wesentlichen konstanten Verdrehungswinkel Θ zwischen den Polen der beiden Rotoren gegeneinander verdreht. Dieser Winkel Θ ist durch die Größe des zu übertragenden Drehmomentes C bzw. durch die von der Kupplung anzutreibende Last bestimmt.

Wenn aus irgend einem Grunde — beispielsweise wenn die Kupplung im Antrieb eines Motorfahrzeuges eingebaut ist — die Welle 2. bisher »angetriebene Welle« genannt, rascher dreht als die »treibende« Welle 1 (ü2> Πι), wird der Schlupf ^negativ und man gelangt in den links gelegenen Teil der Kurve C = f(g). Die Funktion der beiden Rotoren ist dann vertauscht: Die Welle 2 wird antreibende Welle und sie wird von der Welle 1 zurückgehalten (im Synchronbetrieb) oder gebremst (im Asynchronbetrieb) und zwar so lange, als die Welle 2 rascher drehen möchte als die Welle 1. Zunächst wird die synchrone Betriebsweise beibehalten, aber der Verdrehungswinkel Θ zwischen den beiden Rotoren wird negativ um das zurückhaltende Moment zwischen 0 und -C™, zu übertragen. Der letztere Wert wird für einen Verdrehungswinkel Θ = - Θ,-j, er^reicht. Wird das Bremsmoment größer als - C · j„ so »klinkt die Kupplung aus«, d. h. sie kann nicht im Synchronbetrieb weiter laufen. Wenn man C -.,> kleiner gewählt hat als G -m. so nimmt der Schlupf s? zunächst den Wen g= - m an und die Welle 1 bremst die Welle 2 mit einem asynchronen Bremsmoment - G Dreht sich die Welle 2 noch rascher und übersteigt das Bremsmoment den zulässigen Wert - G ^j>. so ist es nicht mehr möglich, einen stabilen Betriebszustand einzuhalten und die Kupplung läuft durch.

Es ist in gewissen Grenzen möglich, ein solches Durchlaufen zu vermeiden, indem beispielsweise die Anzahl Pole 17 des Kranzes 146 zugunsten der leitenden Metallschichten 16a, 160. 16c verringert wird, d. h. daß der Zentri-Winkel λ größer gewählt (F i g. 2) und/oder daß die Breite a des ringförmigen Bandes 20 (F i g. 1) erhöht wird.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen begrenzt Sie bezieht sich vielmehr auf alle Varianten, die in den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang fallen und deren einige beispielsweise im folgenden erwähnt werden:

So können die einander gegenüberliegenden, die Teilluftspalt es begrenzenden Rotationsflächen des treibenden und des angetriebenen Rotorkranzes siatt zylindrisch und konzentrisch zu sein, in zwei parallelen, senkrecht zur Drehachse A und zur Durchgangsrichtung des vom Erreger induzierten, magnetischen Feldes liegenden Ebenen angeordnet sein, wobei der eine Kranz regelmäßig verteilte, zahnförmige Pole und der andere abwechselnd leitende Schichten und Polgruppen aufweist Diese Anordnung fällt unter den Schutzumfang der Erfindung, auch wenn das das Magnetfeld induzierende Element oder das Gehäuse der Kupplung eine andere als die beschriebene Form aufweist

Statt einem ortsfesten Erreger kann auch ein solcher vorgesehen sein, der entweder mit dem treibenden oder dem angetriebenen Rotor zusammengebaut ist und beispielsweise aus einer Anzahl von Permanentmagneten besteht oder indem einer der Rotoren Erreserwick-

Il

18a, 19

20 21

A b

ei ei ei

(X β

lungen aufweist, die in an sich bekannter Weise, ζ. Β. über Schleifringe und Bürsten, gespeist werden. Auch können der treibende (12) und der angetriebene Rotor (14) in ihrer Funktion untereinander ausgetauscht sein.

Die abwechselnd durch eine leitende Schicht abge- -, deckten und die Polgruppen aufweisenden Bereiche können auch auf dem angetriebenen Rotor 126 angeordnet sein, während der treibende Rotor 146 regelmäßig auf den ganzen Umfang verteilte, zahnförmige Pole trägt. Schließlich können die zwischen den in Polen jeder Gruppe 18a, 186 usw. eingefügten Leiterstäbe statt aus massiven Profilstäbchen aus Rohren oder Leitern mit anderem Profil bestehen; man kann im übrigen auf die Leiterstäbe 18 völlig verzichten und sich auf das asynchrone Moment C₃ beschränken, π das im wesentlichen durch die in den leitendsn Schichten oder Bändern 16, 20 oder 21 induzierten Wirbelströme erzeugt wird. Einen geringen Anteil der Bremskraft tragen auch die im magnetisierbaren Teil der Rotorkränze 126 und 146 und ihren Polen 13 und 17 20 auftretenden Wirbelströme bei.

Liste der Bezugszeichen

1 treibende Welle

2 angetriebene Welle 25 3a, 6 Kugellager zu 2

4 zylindrische Aussparung in 5

5 Magnetkern des Gehäuses

6 Erregerwicklung

7a, 6 Stromzuführungsdrähte zu 6 j<i

8 ringförmiger Abschluß des Gehäuses

9 Befestigungsschraube zu 8 Q_mi

10 Aussparungen für 7a, 6

11 äußerer Ring des Gehäuses

12 angetriebener Rotor j-, C, 12a Flansch des Rotors 12

126 zylindrischer Rotorkranz (zu 12) C_ä

13 zahnförmige Pole des Kranzes 126, gegen 146. 17 hin gerichtet

14 treibender Rotor 40 g 14a Flansch des Rotors 14

146 zylindrischer Rotorkranz (zu 14) n\

16a, b, c Schichten bzw. Bänder aus elektrisch leiten- n₂

dem Material m

17 zahnförmige Pole an Rotorkranz 146 45

17a. 6, c Polgruppen an Rotorkranz 146

Θ Q₀ zwischen die Pole 17 eingelegte Leiterstäbe

Kurzschluß-Segmente bzw. -Ringe zwischen den Enden der Leiterstäbe 18a, 6

bandförmiger, glatter, elektrisch leitender Ring um 126,13

bandförmiger, glatter, elektrisch leitender Ring um 146,17

Breite eines elektrisch leitenden Ringes 20 oder 21

Symmetrie- und Drehachse der Kupplung

Breite des Teilluftspaltes β2 in axialer Richtung gemessen

ringförmiger Luftspalt des Kupplergehäuses, zwischen 5 und 8

Teilluftspalt zwischen 5 und 126

Teilluftspalt zwischen 13 und 17

Teilluftspalt zwischen 11 und 146

Zentriwinkel der leitenden Bänder 16a, 6, c

Zentriwinkel der Polgruppen 17a, 6, c

Winkelteilung zwischen zwei benachbarten zahnlörmigen Polen 13 und 17

Erregerrtromstärke

verschiedene Werte von /
Verdrehungswinkel zwischen zwei gegenüberliegenden Polen 13,17
Verdrehungswinkel Θ für den Punkt des unstabilen Gleichgewichtes beim Übergang in

den Bereich des nächsten Pols (Θο=—-—

beim größten im Synchronbetrieb übertragbaren Drehmoment C_5max auftretender Verdrehungswinkel

im Synchronbetrieb übertragenes Drehmoment

im Asynchronbetrieb übertragenes Drehmoment

_ »ι - >h
lh

spezifischer Schlupf

Drehzahl der antreibenden Welle
Drehzahl der getriebenen Welle
>:Einklink«-Schlupf, beim Obergang
Asynchron- zum Synchronbetrieb

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Asynchrone, synchronisierbare magnetische Kupplung zur Übertragung eines Drehmomentes, mit einem toroidförmigen magnetischen Kreis, in dessen Luftspalt sich je ein magnetisierbarer, koaxialer Polkranz eines treibenden und eines getriebenen Rotors befindet, wobei jeder der Polkränze auf seiner dem anderen Polkranz zugekehrten Rotationsfläche eine Anzahl ausgeprägter, zahnförmiger Pole trägt, deren Teilung in LJmfangsrichtung, in Winkelgraden gemessen, für die beiden zusammenwirkenden Polkränze gleich ist, und Mittel zur Ausbildung eines asynchronen Momentes durch Aufeinanderwirken von Polstükfcen und einer nicht magnetisierbaren, elektrisch leitenden Schicht vorgesehen sind, ferner mit mindestens einer Erregerwicklung bzw. einem Permanentmagnet zur Erzeugung eines den durch die Polkränze in Teilluftspalte unterteilten Statorluftspalt und damit die beiden Polkränze selber durchdringenden Magnetfeldes, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der magnetische Kreis weist in an sich bekannter Weise einen Luftspalt (E) auf, in dessen rotationssymmetrisches, einheitlich gerichtetes Magnetfeld die beiden Polkränze unter Bildung dreier Teilluftspalte (e\, e2, ei) hineinragen;

b) mindestens eine der im Teilluftspalt fa) einander zugewandten Begrenzungsflächen der Polkränze (12Z>, 14Zy ist axial und/oder in Umfangsrichtung in Bereiche aufgeteilt, von denen die einen (b—a beziehungsweise j3) in an sich bekannter Weise ausgeprägte zahnförmige Pole (13,17) zeigen und die anderen (a, α) durch eine auf der Höhe der Polscheitel verlaufende, glatte, nicht magnetisierbare, elektrisch leitende Schicht (16a, b, c;20,21) abgedeckt sind.

2. Magnetische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Polkränze (12b, 14b) nur in axialer Richtung in Bereiche aufgeteilt ist und daß die leitende Schicht einen an den Polscheiteln dieses Polkranzes (12Z> oder Hb) befestigten, bandörmigen Ring (20,2) bildet.

3. Magnetische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zahnförmigen Pole (17) eines der Polkränze (i4b) in regelmäßigen Abständen gruppenweise über dessen Umfang verteilt sind und daß die leitende Schicht die zwischen den Polgruppen (17a, b, c) verbleibenden Abschnitte (16a, b, c) der Polkranzoberfläche bedeckt.

4. Magnetische Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Teilluftspalt (^) begrenzende Rotationsfläche mindestens eines der Polkränze (12Zj, 14d) für den wahlweisen Einbau verschieden breiter (a, oc) Bänder bzw. Schichten (20, 21, 16a, c, c) aus nicht magnetisierbarem, elektrisch leitenden Material eingerichtet ist.

5. Magnetische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Polkränze (\2b) in an sich bekannter Weise regelmäßig über den ganzen Umfang des zwischen den beiden Kränzen (12Z>, \4b) bestehenden Teilluftspaltes (efi verteilte zahnförmige Pole (13)

aufweist

6. Magnetische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (13) des einen Polkranzes [V2b) zwar die gleiche Winkelteilung (P) aufweisen wie diejenigen (17) des anderen Polkranzes (14ZjJ¹, daß jedoch ihre in Umfangsrichtung in Winkelgraden gemessene Dicke (d) von derjenigen {d')der Pole des zweiten Kranzes abweicht

7. Magnetische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den zwischen den zahnförmigen Polen (17) bestehenden Aussparungen mindestens eines der beiden Polkränze (140,1 in an sich bekannter Weise massive oder rohrförmige Leiterstäbe (18a, b) eingelegt sind und daß die Enden dieser Leiterstäbe durch Kurzschluß-Segmente oder -Ringe (19) untereinander verbunden sind.