DE2533893A1

DE2533893A1 - Wide range speed regulating coupling - has magnetisable liquid able to behave as viscous liquid or rigid joint

Info

Publication number: DE2533893A1
Application number: DE19752533893
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Ono; Kazushige Yamazaki
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1974-08-09
Filing date: 1975-07-29
Publication date: 1976-02-26
Also published as: SE7508084L; IT1040366B; JPS5119255A

Abstract

The coupling is used for a machine subject to wide fluctuation of the rotating speed. The magnetic liquid behaves normally as a viscous liquid such as an oil; however, on application of a magnetic field it is able to connect a driven and driving element against the effect of gravity cover pressure and centrifugal forces. The driving shaft accommodates a solenoid for generating the magnetic field. The driven shaft is held in a chamber with magnetic or magnetisable liquid. When the current is interrupted then the idling torque of the output element can be reduced to a very low value.

Description

Drehzahlregelkupplung für eine Rotationsmaschine Die Ereindung betrifft eine Kupplung mit regelbarer Drehzahl bzw. eine Drehzahlregelkupplung für eine Rotationsmaschine, die durch eine einem weiten Bereich von Drehzahländerungen unterworzene Antriebsmaschine angetrieben wird. Speed control clutch for a rotary machine The connection concerns a clutch with controllable speed or a speed control clutch for a rotary machine, the prime mover subjected to a wide range of speed changes is driven.

Bisher wurden al s als Konstantdrehzahl-Antriebssystemefür eine Rotationsmaschine elektrische, hydraulische und mit einem Pulver arbeitende Konstantdrehzahl-Antriebs systeme verwendet, die sich jedoch bezüglich Leistung, Kosten und/oder Größe nicht als zufriedenstellend erwiesen haben, so daß sie auch nicht verbreitet eingesetzt werden.Heretofore, as constant speed drive systems for a rotary machine electric, hydraulic and powder constant speed drive systems that are not different in terms of performance, cost and / or size have proven to be satisfactory so that they are not widely used will.

Während andererseits Flüssigke itskupplungen unter Verwendung von viskosen Flüssigkeiten, wie 01, aufgrund ihres einfachen Aufbaus und der damit verbundenen Kostenvorteile in erheblichem Umfang verwendet werden, sind diese Kupplungen mit dem Nachteil behaftet, daß sie bei Auslegung für den Betrieb mit einer niedrigen Höchstdrehzahl einen großen Schlupf bei niedriger Drehzahl besitzen, da sie im wesentlichen mit einem Spalt oder Zwischenraum zwischen den Kupplungsteilen ausgelegt sindv Im Fall einer Rotationsmaschine, bei welcher ein Lastdrehmoment dem Quadrat der Drehzahl proportional ist, beispielsweise bei einem Gebläse, wird außerdem die Wirkung einer oberen Drehzahlbegrenzung erreicht, weil infolge des konstanten Spaltabstands der Schlupf etwa dem Quadrat der Drehzahl proportional ist. Bei einer Rotationsmaschine, bei welcher das Lastdrehmoment unabhängig von der Drehzahl praktisch konstant ist, z.B. bei einem volumetrischen Kompressor (volume type of compressor), würde dagegen entweder überhaupt kein Schlupf oder aber ständig ein Schlupf auftreten, so daß die blüssigkeitskupplung den Nachteil besitzt, daß sie bei bestimmten Rotationsmaschinen, beispielsweise bei einem derartigen Kompressor, nicht angewandt werden kann.While, on the other hand, fluid couplings using viscous liquids, such as 01, due to their simple structure and the associated These clutches are used to a considerable extent with cost advantages has the disadvantage that when designed for operation with a low Maximum speed have a large slip at low speed because they are essentially are designed with a gap or space between the coupling parts v in the Case of a rotary machine in which a load torque is the square of the speed is proportional, for example in the case of a blower, the effect of a upper speed limit reached because of the constant gap distance of the Slip is roughly proportional to the square of the speed. With a rotary machine, at which the load torque is practically constant regardless of the speed, E.g. in the case of a volumetric compressor (volume type of compressor), on the other hand either no slippage at all or a constant slippage so that the disadvantage of the fluid coupling is that it is for example, in such a compressor, cannot be used.

Bei einer Rotationsmaschine, die durch eine Antriebsmaschine mit über einen weiten Bereich hinweg schwankender Drehzahl angetrieben wird, z.B. bei einem Kompressor für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, wird zwar die Verwendung einer mit konstanter Drehzahl arbeitenden Rotationsvorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl auf einen vorbestimmten engen Bereich angestrebt, doch konnte in der Praxis eine solche Vorrichtung bisher noch nicht gewährleistet werden.In the case of a rotary machine, which is driven by a prime mover with over is driven over a wide range of fluctuating speed, e.g. at a Compressor for an automotive air conditioner, while using one with constant speed rotating device to limit the speed aimed at a predetermined narrow range, but could in practice such a device has not yet been guaranteed.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahlregelkupplung für eine durch eine Antriebsmaschine mit großem Drehzahlände rungsbe reich angetriebene Rotationsmaschine zu schaffen, mit welcher die Drehzahl der Rotationsmaschine auf einen vorbestimmten engen Bereich begrenzt werden kann0 Die Erfindung wurde nun auf der Grundlage der Feststellung entwickelt, daß es eine magnetische Flüssigkeit gibt, die sich normalerweise wie eine viskose Flüssigkeit, etwa wie ü1, verhält, die jedoch bei Anlegung eines Magnetfelds an sie ein Antriebsglied und ein Abtriebsglied magnetomechanisch gegen die Einwirkung von Schwerkraft, Druck und Fliehkraft miteinander zu verbinden vermag.The invention is therefore based on the object of a speed control clutch for a range of changes driven by a prime mover with a large speed change range To create rotary machine, with which the speed of the rotary machine on can be limited to a predetermined narrow range. The invention has now been completed developed on the basis of the finding that it is a magnetic fluid which normally behaves like a viscous liquid such as ü1, However, when a magnetic field is applied to them, they have a drive member and an output member magnetomechanical against the effects of gravity, pressure and Can connect centrifugal force with each other.

Diese Aufgabe wird bei einer Drehzahlregelkupplung für eine Rotationsmaschine, die durch eine Antriebsmaschine mit über einen weiten Bereich hinweg schwankender Drehzahl angetrieben wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie ein durch die Antriebsmaschine angetriebenes Antriebsglied, eine in letzterem angeordnete Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds, ein unmittelbar mit einem Rotorteil der Rotationsmaschine unter Festlegung eines festen Zwischenraums zum Antriebs glied verbundenes Abtriebsglied und eine unter Abdichtung im Zwischenraum zwischen Antriebs- und Abtriebsglied eingeschlossene magnetische bzw. magnetisierbare Flüssigkeit aufweist, sowie dadurch, daß die Kupplung bei einen die Spule durchfließenden elektrischen Strom in Ab ängigkeitvon der lfagnetisierung der magnetischen Flüssigkeit in dem blagnetfeld, das durch die Spule in Abhängigkeit von der Größe des sie durchfließenden Stroms erzeugt wird, auf das mit der Antriebsmaschine verbundene Antriebs glied und das mit der Rotationsmaschine verbundene Abtriebsglied entweder als Direktverbindungskupplung oder als Drehzahlregelkupplung einzuwirken vermag, wobei jedoch bei Unterbrechung des Stromflusses durch die Spule Antriebs- und Abtriebsglied voneinander getrennt sind, so daß das Mitnahme- oder Leerlaufdrehmoment des Abtriebsglieds auf einen sehr geringen Wert reduzierbar istg Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen wesentlichen Abschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer Kupplung gemäß der Erfindung und Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Kennlinie zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.This task is performed with a speed control clutch for a rotary machine, that by a prime mover with fluctuating over a wide range Speed is driven, according to the invention achieved in that it is a through the Driving machine driven drive member, a coil arranged in the latter for generating a magnetic field, one directly with a rotor part of the rotating machine while defining a fixed gap to the drive member connected output member and one enclosed with a seal in the space between the drive and output members having magnetic or magnetizable liquid, and in that the coupling with an electric current flowing through the coil as a function of the magnetization the magnetic fluid in the magnetic field that is generated by the coil in dependence is generated by the size of the current flowing through it, to that of the prime mover connected drive member and the driven member connected to the rotary machine act either as a direct connection coupling or as a speed control coupling capable, however, when the current flow through the coil is interrupted, drive and output member are separated from each other, so that the drag or idle torque of the output member can be reduced to a very low value a preferred embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings explained. 1 shows a longitudinal section through an essential section a preferred embodiment of a coupling according to the invention and Fig. 2 is a graph showing a characteristic curve to illustrate an example for the performance of the device according to the invention.

Gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Stator 1 auf, der eine Spule 2 enthält und mit Hilfe von Befestigungsschrauben 3 an einem feststehenden Teil 15a einer nicht dargestellten Rotationsmaschine montiert ist0 An der Antriebsseite ist ein Rotor 4 vorgesehen, dem ein durch die Antriebsmaschine frei angetriebener Keilriemen zugeordnet und welcher über Lager 6 im Stator gelagert ist.According to FIG. 1, the device according to the invention has a stator 1 on, which contains a coil 2 and with the help of fastening screws 3 on a fixed part 15a of a rotary machine, not shown, is mounted0 On the drive side, a rotor 4 is provided, which is one by the drive machine assigned freely driven V-belt and which is stored in the stator via bearings 6 is.

An der Abtriebsseite ist ein Anker 5 angeordnet, der vom antriebsseitigen Rotor 4 durch einen Zwischenraum getrennt ist, in welchem eine magnetische Flüssigkeit 12 unter Abdichtung eingeschlossen ist. Der Rotor 4 ist dabei unmittelbar mit einem umlaufenden Abschnitt 15b der nicht dargestellten Antriebsmaschine mittels einer Keilfeder 7, einer Zwischenscheibe 8 und eines Schraubbolzens 9 verbunden.An armature 5 is arranged on the output side, from the drive-side Rotor 4 is separated by a space in which a magnetic fluid 12 is enclosed under seal. The rotor 4 is directly connected to a revolving section 15b of the drive machine, not shown, by means of a Wedge spring 7, an washer 8 and a screw bolt 9 connected.

Wie erwähnt, ist in dem Zwischenraum zwischen dem Rotor 4 auf der Antriebsseite und dem Anker 5 auf der Abtriebsseite die magnetische Flüssigkeit 12 unter Abdichtung eingeschlossenO Der Zwischenraum zwischen Rotor 4 und Anker 5 ist dabei durch 0-Ringe 10 und 11 abgedichtet, so daß die eingeschlossene magnetische Flüssigkeit 12 nicht entweichen kann.As mentioned, is in the space between the rotor 4 on the Drive side and the armature 5 on the output side, the magnetic fluid 12 enclosed under seal O The space between rotor 4 and armature 5 is sealed by O-rings 10 and 11, so that the enclosed magnetic Liquid 12 cannot escape.

Nit 13 und 14 sind Teile aus einem nichtmagnetischen Werkstoff dargestellt, die am Anker 5 bzw. am Rotor 4 befestigt und so angeordnet sind, daß der Magnetfluß den Anker 5 und den Rotor 4 selbst nur schwer durchdringen kann, und welche ebenfalls zur Verhinderung eines Austritts der magnetischen Flüssigkeit 12 dienen, Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend umrissenen VorrichtunO erläutert: Der Rotor 4 wird durch die nich-t dargestellte Antriebsmaschine,z.B. eine Brennkraftmaschine, ständig-angetrieben. Wenn die Spule 2 nicht von einem Strom durchflossen wird, verhält sich die magnetische Flüssigkeit 12 wie eine gewöhnliche Flüssigkeit, so daß auf den Anker 5 kein Drehmoment zum Antreiben einer abtriebsseitigen, nicht dargestellten Rotationsmaschine übertragen wird und die Kupplunge somit vollständig durchrutscht.Nit 13 and 14 are parts made of a non-magnetic material, which are attached to the armature 5 and the rotor 4 and arranged so that the magnetic flux the armature 5 and the rotor 4 itself can only penetrate with difficulty, and which also serve to prevent leakage of the magnetic fluid 12, hereinafter is the operation of those outlined above Device explains: The rotor 4 is driven by the not shown prime mover, e.g. an internal combustion engine, constantly-powered. If the coil 2 does not have a current flowing through it, behaves the magnetic liquid 12 like an ordinary liquid, so that on the armature 5 does not have any torque for driving an output-side, not shown Rotary machine is transmitted and the clutch thus completely slips.

brenn die Spule 2, von der linken Seite gemäß Fig. 1 her gesehen, im Uhrzeigersinn von einem Nenn- oder Leis-tungs-Gleichstrom (rating DC current) durchflossen wird, wird die magnetische Flüssigkeit 12 durch ein längs der Pfeillinie S erzeugtes Magnetfeld magnetisiert und dadurch in ihrer Position zwischen dem Rotor 4 und desAnker 5 arretiert bzw. festgelegt, so daß die einander gegenüberliegenden massiven Wände des Rotors 4 und des Ankers 5 magnetomechanisch in ihren Relativpositionen zueinander festgelegt bzw. gekoppelt sind, wobei sich Rotor 4 und Anker 5 mithin so verhalten, als wenn sie unmittelbar miteinander verbunden wären.burn the coil 2, seen from the left side according to Fig. 1, clockwise from a rated or power direct current (rating DC current) is flowed through, the magnetic liquid 12 is through a along the arrow line S generated magnetic field is magnetized and thereby in its position between the rotor 4 and desAnker 5 locked or fixed, so that the opposite massive walls of the rotor 4 and the armature 5 magnetomechanically in their relative positions are fixed or coupled to each other, with rotor 4 and armature 5 consequently behave as if they were directly related to one another.

Sobald die Drehzahl des antriebsseitigen Rotors 4 die obere Grenze eines für die Direktverbindung vorbestimmten Drehzahlbereichs überschreitet, wird der die Spule 2 durchfließende Gleichstrom durch eine nicht dargestellte Regeleinrichtung reduziert, welche den Gleichstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl oder dem Lastdrehmoment des Rotors 4 zu regeln vermag. Durch die hierbei bewirkte Schwächung der agnetfeldstärke wird auch die Kraft für die magnetomechanische Lagenfestlegung der magnetischen Flüssigkeit 12 geschwäch-t. Wenn dabei das durch die Kraft der magnetomechanischen Kopplung zwischen den einander gegenüberstehenden massiven Wänden von Rotor 4 und Anker 5 erzeugte Drehmoment unter das Lastdrehmoment abfällt, kann ein Schlupf zwischen Rotor 4 und Anker 5 auftreten.As soon as the speed of the drive-side rotor 4 has reached the upper limit exceeds a speed range predetermined for the direct connection, is the direct current flowing through the coil 2 by a control device, not shown which reduces the direct current depending on the speed or the load torque of the rotor 4 is able to regulate. The weakening of the magnetic field strength caused by this is also the force for the magnetomechanical positioning of the magnetic Fluid 12 weakened. If doing this by the force of the magnetomechanical Coupling between the opposing massive walls of rotor 4 and Armature 5 generated torque drops below the load torque, there can be a slip between Rotor 4 and armature 5 occur.

Im Fall einer Rotationsmaschine, bei welcher ein Lastdrehmoment, wie erwähnt, der Drehzahl proportional ist, wird die Drehzahl auf der Abtriebsseite relativ zur Drehzahl auf der Antriebsseite durch Verringerung des die Spule 2 durcnfließenden Stroms zwecks Ermöglichung eines Schlupfs des Ankers 5 variiert bzw. geregelt. Bei einer Rotationsmaschine, wie einem volumetrischen Kompressor oder Verdichter, bei dem das Lastdrehmoment unabhängig von der Drehzahl praktisch konstant ist, kann dagegen die Drehzahl an der Abtriebsseite relativ zur Drehzahl an der Antriebs seite dadurch variiert werden, dat, der die Spule 2 durchfließende Gleichstrom durch eine getrennte Regelvorrichtung in einen pulsierenden Strom umgewandelt wird, wobei sich Direktverbindungs- und Schlupfvorgänge abwechselnd wiederholen und somit die Relativdrehzahl entsprechend der Zahl oder der Periode der Schlupfzyklen pro Zeiteinheit geändert wird.In the case of a rotary machine in which a load torque such as mentioned, the speed is proportional, the speed is on the output side relative to the speed on the drive side by reducing the amount flowing through the coil 2 Current varies or regulated in order to enable the armature 5 to slip. at a rotary machine such as a volumetric compressor or compressor which the load torque is practically constant regardless of the speed, can however, the speed on the output side relative to the speed on the drive side thereby be varied, dat, the coil 2 flowing through direct current through a separate control device is converted into a pulsating current, whereby Repeat direct connection and slipping processes alternately and thus the relative speed changed according to the number or period of slip cycles per unit time will.

Das im Kennliniendiagramm von Fig. 2 dargestellte Beispiel veranschaulicht die Leistung oder Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Drehzahlen an der Antriebsseite (Rotorseite) und an der Abtriebsseite (Ankerseite) in Form der Winkelgeschwindigkeiten. Dies ist ein Beispiel für die Arbeitsweise einer Drehzahlregelkupplung, die bei niedrigen Drehzahlen eingerückt ist, bei welcher jedoch ein oclilupf eingeführt wird, wenn die Drehzahl einen Grenzwert des Dire'rtverbindemgsbereichs überschreitet.The example shown in the characteristic diagram of FIG. 2 is illustrated the performance or mode of operation of the device according to the invention based on the speeds on the drive side (rotor side) and on the output side (armature side) in shape the angular velocities. This is an example of how a speed control clutch works, which is engaged at low speeds, but at which an oclilupf is introduced when the speed exceeds a limit value of the direct connection range.

Genauer gesagt: Ausgehend vom Punkt 0 arbeitet die Kupplung als Direktverbindungskupplung Es zum Punkt A, indem ein Nenn-oder Leistungsstrom (rating current) durch die Spule 2 hindurchgeleitet wird; während dieser Zeitspanne stehen die Drehzahlen an Abtriebsseite und Antriebsseite im Verhältnis 1:1 zueinander. Wenn der die Spule 2 durchfließende Strom nach Erreichen des Punkts A bei zunehmender Drehzahl an der Antriebsseite allmählich verringert wird, variiert die Drehzahl längs der Linie A-B bis zum Punkt B, Die gestrichelte Linie D gibt die Kennlinie einer bisher angewandten Flüs sigkeitskupplungan, welche die Viskosität einer Flüssigkeit ausnutzt. Wenn der Nenn- oder Leistungsstrom nach Durchlauf des Punkts A weiter durch die Spule 2 geleitet wird, arbeitet die Kupplung längs der Linie A-C bis zum Punkt C weiter als Direktverbindungskupplung. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der Punkt A mittels einer getrennten Regelvorrichtung willkürlich oder beliebig auf einen gewünschten Wert festgelegt werden kann.More precisely: starting from point 0, the coupling works as a direct connection coupling Get it to point A by drawing a rated or power current (rating current) through the coil 2 is passed through; During this period, the speeds are on the output side and drive side in a ratio of 1: 1 to each other. When the coil 2 flowing through Current after reaching point A with increasing speed on the drive side is gradually decreased, the speed varies along the line A-B to the point B, The dashed line D gives the characteristic of a previously used one Fluid coupling that uses the viscosity of a fluid. if the nominal or power current after passing point A further through the coil 2, the clutch continues to work along line A-C to point C. as a direct connection coupling. In this context it should be noted that the point A arbitrarily or arbitrarily to one by means of a separate control device desired value can be set.

Infolge der vorstehend erläuterten und im Patentanspruch gekennzeichneten Konstruktion bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung die folgenden Vorteile: 1. Wenn zur Erzeugung eines Magnetfelds ein Nenn- oder Leistungsstrom durch die Spule geleitet wird, arbeitet die Kupplung als elektromagnetische Kupplung zur unmittelbaren Verbindung einer Antriebsmaschine mit einer Rotationsmaschine.As a result of the above and characterized in the claim Construction, the device according to the invention offers the following advantages: 1. When a nominal or power current through the coil is used to generate a magnetic field is conducted, the clutch works as an electromagnetic clutch to the immediate Connection of a prime mover with a rotary machine.

2. 1;Jahlweiseis e kann die Kupplung als Drehzahlregelkupplung arbeiten, bei welcher ein Schlupf zwischen einem Antriebs-und einem Abtriebsglied durch Regelung des die Spule durchfließenden Stroms willkürlich oder wahlfrei variiert wird. Dies führt dazu, daß die Drehzahl an der Abtriebsseite plötzlich auf einen festgelegten Wert ansteigen kann und daß das Anfahren der Rotationsmaschine ruckfrei erfolgt und das Leerlaufdrehmoment klein ist.2. 1; The clutch can work as a speed control clutch, in which there is a slip between a drive and an output member by regulation of the current flowing through the coil is varied arbitrarily or optionally. this leads to the fact that the speed on the output side suddenly drops to a fixed one The value can increase and that the start-up of the rotary machine takes place smoothly and the idling torque is small.

3o Falls die Spule nicht von Strom durchflossen wird, verhält sich die magnetische Flüssigkeit wie eine Flüssigkeit mit sehr niedriger Viskosität, so daß ein nur sehr geringes Mitnahme- oder Leerlaufdrehmoment gegeben ist.3o If there is no current flowing through the coil, behaves the magnetic fluid like a very low viscosity fluid, so that there is only a very low drag or idling torque.

Darübedhinaus lassen sich durch Anderung der Dichte und/oder Viskosität der magnetischen Flüssigkeit ohne weiteres Drehzahlre gelkupplungenmit verschiedenen Eigenschaften herstellen. In addition, by changing the density and / or viscosity the magnetic fluid easily speed control clutches with different Establish properties.

4O Aufgrund der Verwendung der beschriebenen magnetischen Flüssigkeit ist, mit Ausnahme an den 0-Ringen, keinerlei Reibung vorhanden, so daß nur eine geringe Wärmeentwicklung auftritt und die Kupplung einen-kompakten und kostensparenden Aufbau erhält.4O Due to the use of the magnetic fluid described there is no friction whatsoever, with the exception of the 0-rings, so that only one low heat generation occurs and the coupling is compact and cost-saving Build up.

Claims

Claim

Speed control clutch for a rotary machine driven by a drive machine is driven with a speed fluctuating over a wide range, thereby g e k e n n n -z e i c h n e t that they are driven by the prime mover Drive element (4), a coil (2) arranged in the latter for generating a magnetic field, one directly with a rotor part of the rotary machine by defining one fixed space to the drive member connected output member (5) and a sub Sealing enclosed in the space between the drive and output member having magnetic or magnetizable liquid (12), and in that the Coupling in the case of an electric current flowing through the coil (2) as a function of of the magnetization of the magnetic fluid in the magnetic field passing through the coil is generated as a function of the magnitude of the current flowing through it, on the drive member connected to the prime mover and that with the rotary machine connected output link either as a direct connection coupling or as a speed control coupling able to act, but with interruption of the current flow through the coil Drive and output member are separated from each other, so that the i4itnahme- or The idling torque of the output member can be reduced to a very low value Blank page