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Schlupfkupplung, insbesondere für Lüfter.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schlupfkupplung mit einem, auf
einer ersten, mit veränderlicher Drehzahl angetriebenen Welle angeordneten, die
eine Kupplungshälfte bildenden Polrad und einem auf einer zweiten Welle angeordneten
die zweite Kupplungshälfte bildenden Kurzschlußläufer und einem Luftspalt zwischen
beiden Kupplungshälften, insbesondere für die Kupplung einer Antriebsmaschine mit
einem Lüfter.
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Eine solche Schlupfkupplung ist aus dem ASEA-Journal 1940, Seiten
34 bis 37 bekannt.
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Die dort beschriebene Schlupfkupplung weist ein Polrad auf, bei welchem
von einem Strom durchflossene Spulen vorgesehen sind, durch welche bei Rotation
ein Drehfeld
erzeugt wird. Durch das Drehfeld wird in dem konzentrisch
zum Polrad angeordneten, mit einer Kurzschlußwicklung versehenen Läufer ein Drehmoment
erzeugt, welches von der Größe des Erregerstromes des Polrades abhängig ist. Der
Aufbau einer solchen Kupplung ist jedoch relativ aufwendig und daher teuer, so daß
eine solche nur für die Übertragung von größeren Drehmomenten wirtschaftlich anwendbar
ist.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Schlupfkupplung zu schaffen,
welche einfacher im Aufbau als die bekannte Kupplung ist, und welche niedrige Herstellungskosten
und Betriebskosten verursacht, und welche keine zusätzliche Stromquelle benötigt.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht bei der eingangs erwähnten
Einrichtung erfindungsgemäß darin, daß die eine Kupplungshälfte aus einer mit Permanentmagneten
bestückten Scheibe besteht und die zweite Kupplungshälfte eine dieser gegenüber
liegenden, aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit bestehenden Metallscheibe
ist, daß weiter ein Stellglied vorgesehen ist, durch welches der Luftspalt zwischen
beiden Kupplungsscheiben in Abhängigkeit von der Drehzahl so verstellbar ist, daß
das übertragbare Drehmoment und die Drehzahl der zweiten Kupplungsscheibe unverändert
bleiben.
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Durch die Verstellung des Luftspaltes ist es möglich, das übertragbare
Drehmoment, welches bei konstantem Luftspalt proportional der Drehzahl ansteigt,
etwa konstant zu halten, womit auch die Drehzahl der zweiten Welle etwa konstant
gehalten werden kann.
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In zweckmäßiger Weise ist vorgesehen, daß als Stellglied ein Fliehkraftsteller
dient, welcher so abgestimmt ist, daß bei unterschiedlichen Drehzahlen der für eine
konstante Lüft terdrehzahl erforderliche Luftspalt eingestellt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der ErfindUhg~Sst Vowrgesehen,
daß der Fliehkraftsteller ein mit der Antriebswelle gekuppeltes hohles, topfförmiges
Gehäuse aufweist, dessen eine Stirnseite an der Gehäuseinnenseite eine schräg verlaufende
Rotationsfläche aufweist, und an der Innenseite der zylindrischen Partie Mittel
zur Drehmomentübertragung ohne wesentliche Axialkraft auf einen zweiten Rotationskörper
vorgesehen sind, und daß zwischen der Stirnfläche eines zweiten Rotationskörpers
und der schräg verlaufenden Fläche des Gehäuses beide Flächen berührende Kugeln
vorgesehen sind, daß der zweite Rotationskörper mit einer auf der Welle angeordneten
Hohlwelle in Verbindung steht, welche gegen die Kraft einer Feder axial verschiebbar
ist, und daß auf der Hohlwelle die die Permanentmagnete tragende Scheibe angeordnet
ist.
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Erhöht sich aus irgend einem Grunde die Drehzahl der antreibenden
Welle, werden die Kugeln zwischen der schräg verlaufenden Rotationsfläche des ersten
und der Stirnfläche des zweiten Rotationskörpers durch die Zentrifugalkraft gegen
die Kraft der Feder nach außen gedrückt, wodurch der zweite Rotationskörper verschoben
wird, was zu einer Vergrößerung des Luftspaltes zwischen erster und zweiter Kupplungsscheibe
führt. Im magnetischen Kreis Drehfeld - Luftspalt - zweite Kupplungsscheibe vergrößert
sich damit der magnetische Widerstand, so daß dabei die normalerweise eintretende
Wirkung eines auf die zweite Kupplungsscheibe einwirkenden vergrößerten Drehmomentes
nicht eintritt. Da sich das Drehmoment nicht ändert, verbleibt die Drehzahl auf
dem erreichten Wert.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß
Mittel vorgesehen sind, durch welche die Kraft der Feder einstellbar ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß
bei Anwendung der Kupplung zum Antrieb eines Lüfters die Metall scheibe auf der
Lüfterwelle angeordnet ist.
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Der Gegenstand der Erfindung ist zwar insbesondere für die Kupplung
von Lüftern, bei welchen das Gegendrehmoment sich im Quadrat der Drehzahl ändert,
mit einer Antriebsmaschine mit veränderlicher Drehzahl vorgesehen, sie ist aber
ebensogut auch für den Antrieb von Maschinen, deren Gegendrehmoment über der Drehzahl
konstant verläuft, anwendbar.
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Die oben erwähnten Lüfter werden häufig für die Abführung der Verlustwärme
z.B. von elektrischen Maschinen mit veränderlicher Drehzahl eingesetzt. Die Antriebsleistung
der Lüfter resultiert im wesentlichen aus dem erforderlichen Luftvolumenstrom und
dem sich dabei einstellenden Luftwiderstand.
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Erfolgt der Antrieb des Lüfters von einer Antriebsmaschine mit veränderlicher
Drehzahl, so muß er bereits bei der niedrigsten Drehzahl den ganzen erforderlichen
Luftvolumenstrom fördern. Die Antriebsleistung wächst dann jedoch mit steigender
Drehzahl etwa mit der dritten Potenz, so daß nicht nur mehr Luft als nötig gefördert
wird, sondern auch der Energiebedarf sich merklich vergrößert und sich andere unerwünschte
Effekte einstellen. Um diesen unerwünschten Wirkungen zu vermeiden, sind verschiedene
Einrichtungen bekannt geworden, wie z.B. hydrostatische oder hydrodynamische Drehzahlwandler.
Diese sind jedoch ebenfalls relativ aufwendig und wie die Praxis zeigt in ihrem
Betriebsverhalten nicht immer problemlos.
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Bei Radialventilatoren ist auch eine Einrichtung bekannt, bei der
mit steigender Drehzahl die Lüfterradbreite durch
eine Blende verringert
wird, um einen konstanten Luftvolumenstrom zu erhalten. Diese Einrichtung ist jedoch
nur für Radialventilatoren einsetzbar.
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Grundsätzlich besteht natürlich auch die Möglichkeit, durch elektrische
Energiewandlung eine konstante Lüfterdrehzahl sicherzustellen, jedoch sind die Kosten
hierfür noch höher als bei den oben erwähnten Maßnahmen.
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Beim Antrieb eines Lüfters durch eine mit veränderlicher Drehzahl
rotierende Welle über die erfindungsgemäße Schlupfkupplung läßt sich ein konstanter
Luftvolumenstrom erreichen.
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Mit der Schlupfkupplung nach der Erfindung muß selbstverständlich
das für den Lüfter erforderliche Antriebsmoment bereits bei der niedrigsten Drehzahl
übertragen werden können. Zur Vermeidung eines Drehmomentanstieges, der sich bei
steigender Drehzahl der antreibenden Welle und konstantem Luftspalt einstellen und
der zu einer Erhöhung der Drehzahl der abtreibenden Welle führen würde, wird wie
oben ausgeführt in Abhängigkeit von der Drehzahl der Luft spalt zwischen den beiden
Kupplungsscheiben vergrößert, so daß sich in der zweiten Kupplungsscheibe ein gleichbleibendes
Drehmoment einstellt. Die Verstellung des Luftspaltes erfolgt durch den Fliehkraftsteller,
in Verbindung mit einer einstellbaren Feder, welche den resultierenden Schub in
Richtung Luftspaltvergrößerung auffängt.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie den im folgenden beschriebenen
und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Kupplung nach der Erfindung mit einem Lüfter,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus Figur 1 mit einer Ausführungsvariante der Schlupfkupplung.
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Im Ausführungsbeispiel ist ein Antrieb eines Lüfters mit der erfindungsgemäßen
Schlupfkupplung dargestellt.
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Die Schlupfkupplung besteht aus den beiden Kupplungsscheiben 1 und
2. Zur Abfuhr der entstehenden Verlustwärme in der Kupplunggcheibe 2 ist diese mit
nicht dargestellten Kühlrippen versehen. Die Kupplungsscheibe 1 trägt hier als Permanentmagnete
ausgebildete Pole und ist mit einer konzentrisch zur antreibenden Welle 4 zu dieser
verschiebbar angeordneten Hohlwelle 1.5 verbunden, welche mit dem Stellglied für
die Verstellung des Luftspaltes s zwischen Kupplungsscheibe 1 und 2 verbunden ist.
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Das Stellglied besteht aus einem mit der antreibenden Welle 4 durch
Stifte 4.4 fest verbundenen topfförmigen Gehäuse 3, welches an der der Kupplung
zugewandten Seite eine schräg verlaufende Rotationsinnenfläche 3.1 aufweist. Innerhalb
des Gehäuses 3 ist ein mit der Hohlwelle 1.5 fest verbundener, im Querschnitt U-förmiger
Rotationskörper 1.2 vorgesehen, zwischen dessen einer Stirnseite und dem Boden 3.4
des Gehäuses 3 eine Feder 1.6 angeordnet ist. Weiter sind in der Zeichnung nicht
dargestellte Mittel zur Einstellung dieser Feder 1.6 durch Vorspannung vorgesehen.
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Zwischen den äußeren Stirnseiten 1.3 des Rotationskörpers 1.2 und
der Innenfläche 3.1 des Gehäuses 3 sind Kugeln 1.4 angeordnet, welche an beiden
Flächen 1.3:bzw..3.1 anliegen.
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Zur Drehmomentübertragung ist im Ausführungsbeispiel an der Innenfläche
3.2 des Gehäuses 3 eine Innenverzahnung 3.3 und eine in diese eingreifende Außenverzahnung
1.7 an der Außenfläche des Rotationskörpers 1.2 vorgesehen, durch welche das Drehmoment
von der Welle 4 auf die Hohlwelle 1.5 übertragen wird.
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Die Welle 4 ist in Lagern 4jv, die Hohlwelle 1.5 in Lagern 1.8 und
die zweite Welle 2.1 in Lagern 2.3 gelagert. Das Lüfterrad ist mit 2.2 und das Gehäuse
zu diesem mit 2.4 bezeichnet.
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Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante verlaufen die
beiden Kupplungsscheiben 1,2 zum Teil in einem Winkel zur Senkrechten. Dadurch ergibt
sich bei gleicher Luftspaltfläche ein kleinerer Durchmesser gegenüber der Anordnung
nach Figur 1.
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Bei gleichen Außenabmessungen der Schlupfkupplung lassen sich somit
größere Drehmomente übertragen. Durch die Neigung der beiden Kupplungsscheiben wird
bei gleicher Länge der Permanentmagnete der mittlere Wirkungsdurchmesser desselben
vergrößert. Dabei ergibt sich allerdings eine Vergrösserung des axialen Hubes.
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Die Schlupfkupplung nach der Erfindung arbeitet wie folgt: Bei Rotation
der Welle 4 wird der Rotationskörper 1.2 über die Verzahnung 3.3, 1.7 vom Gehäuse
mitgenommen, womit sich auch das Polrad 1 dreht. Die Feder 1.6 ist entspannt und
die Kugeln 1.3 liegen an der Hohlwelle 1.5 an. Der Luftspalt hat seinen Minimalwert
"s". Durch die Rotation des Polrades entsteht ein Drehfeld, durch welches in der
zweiten Kupplungsscheibe 2 eine Spannung induziert wird, welche Ströme zur Folge
hat, durch welche ein Drehmoment entsteht, durch welches auch die Kupplungsscheibe
2 zur Rotation mit einer
etwas geringeren Drehzahl als das Polrad
1 kommt. Wird die Drehzahl der Welle 4 erhöht, erhöht sich auch die Drehzahl des
Polrades 1 und damit des Drehfeldes. Gleichzeitig werden aber durch die Wirkung
der Zentrifugalkraft die Kugeln 1.4 nach außen gedrückt, wodurch der Rotationskörper
gegen die Kraft der Feder 1.6 (im Ausführungsbeispiel nach rechts) verschoben wird,
womit sich der Luftspalt "s" vergrößert.
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Dies hat zur Folge, daß die Wirkung einer Erhöhung der Drehfelddrehzahl,
die zu einer Erhöhung des Drehmomentes in der zweiten Kupplungsscheibe führen würde,
aufgehoben wird, so daß trotz Änderung der Drehzahl der antreibenden Welle die Drehzahl
der abtreibenden Welle etwa konstant bleibt.
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Hat die zweite Welle ein konstantes Gegendrehmoment, ist mit einer
Feder mit linearer Charakteristik etwa eine konstante Drehzahl der zweiten Welle
realisierbar. Ändert sich jedoch das Gegenmoment mit veränderlicher Drehzahl, wie
z.B. bei einem Lüfterrad, bei welchem das Gegenmoment etwa quadratisch mit der Drehzahl
ansteigt, ist eine gewölbte Form der Rotationsfläche 3.1 des Rotationskörpers 3
oder eine nichtlineare Federcharakteristik oder aber es sind beide Maßnahmen vorgesehen.
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Abschließend sei noch gesagt, daß es sich bei einem Lüfterantrieb
auch ohne eine Verstellung des Luftspaltes bei einer ganz bestimmten Drehzahl eine
bestimmte etwa konstante Abtriebdrehzahl bei veränderlicher Eingangsdrehzahl einstellt,
da die quadratisch über der Drehzahl verlaufende Kennlinie des Lüftergegenmomentes
und das proportional mit der Drehzahl ansteigende Kupplungsdrehmoment einen Schnittpunkt
aufweisen, wenn die Anfangssteigung der Drehmomentkurve der Schlupfkupplung größer
ist als das der Gegendrehmomentkurve des Lüfters; Ein passender Schnittpunktwert
läßt sich aber kaum erreichen, während bei der Kupplung nach der Erfindung der gewünschte
Drehzahlwert relativ leicht er£bichbar ist.
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L e e r s e i t e