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Wirbelstrom-Dynamometer, -Kupplung oder -Kupplungsverbindung Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an elektrischen Wirbelstrom-Dynamometern,
-Kupplungen und -Kupplungsverbindungen der allgemeiner. Art, bei welcher eine elektromagnetische
Kupplung zwischen. den treibenden Teilen und den getriebenen Teilen mittels eines
magnetischen Kraftflusses erreicht wird, der aus dein einen Teil austritt und in
den anderen Teil mit hoher Konzentration eintritt, und bei welcher die Relativbewegung
zwischen den treibenden Teilen und den getriebenen Teilen bewirkt, daß der konzentrierte
Kraftfluß induktiv wirkt, um einen magnetischen Reaktionszustand für Antriebszwecke
zu erzeugen.
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Unter den verschiedenen. Zielen der Erfindung seien die folgenden
neuen Ausbildungen erwähnt. Eine verbesserte Anordnung des magnetischen Kraftflusses
und der Einbau einer den Kraftfluß verdichtenden oder lenkenden Vorrichtung sowie
ein Verfahren zur Bewegung dieser Vorrichtung, wodurch ein stetig steigendes Drehmoment
von einem eine Leistung abgebenden Teil geleistet wird, und zwar entsprechend .der
Erhöhung der Geschwindigkeit eines die Leistung aufnehmenden Teiles; eine Ausbildung
der Vorrichtung, die das unerwünschte Abfallen der Drehmomen,tkurve nach Erreichen
einer vorbestimmten Geschwindigkeit verhütet; eine Ausbildung der Vorrichtung, bei
welcher der für das Arbeiten erforderliche Erregerstrom wesentlich vermindert wird;
eine Ausbildung der Vorrichtung, bei welcher die große Wärmemenge, die in ihrer
als Arbeit in Erscheinung
tretenden Form umgewandelt worden ist,.
wirksam abgeleitet wird, und schließlich eine Ausbildung: der Vorrichtung, .die
leichter und einfacher ist als bei den früheren Vorrichtungen. Andere Ziele sind
offensichtlich oder werden später dargelegt.
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Die vorliegende Erfindung besteht demgemäß aus Elementen und Kombinationen
von. Elementen, aus Konstruktionsmerkmalen und Anordnungen von Teilen, die in ,den,
nachbeschriebenen Ausführungen als Beispiel gegeben sind., wobei das Bereich der
Erfindung in den folgenden Ansprüchen niedergelegt ist.
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In den Zeichnungen, in denen verschiedene der zahlreichen. Durchführungsmöglichkeiten
der Erfindung dargestellt sind, ist Fig. i eine Endansicht auf der Linie i-i der
Fig.2 und zeigt eine Form einer energieaufneh-, menden Vorrichtung gemäß der Erfindung,
wobei Teile weggebrochen sind, um einen Schnitt zu zeigen, Fig. 2 ein senkrechter
Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. i, Fig. 3 eint Teilen der Fig. 2 ähnlicher Teilschnitt
einer gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Form abgewandelten Ausführung, Fig.4
ein vergrößerter Schnitt von einem Teil der Fig. 2, Fig. 5 eine Ansicht einer anderen
Ausführungsform der Erfindung.
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In den verschiedenen Ansichten: der Zeichnungen sind entsprechendeTeile
mit gleichenBezugszeichen versehen.
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Bei älteren elektromagnetischen Vorrichtungen dieser Klasse werden
Wirbelströme dadurch induziert, daß aufeinanderfolgende elektromagnetische Pole
von entgegengesetzter Polarität an gegebenen Punkten auf dem Maschinenteil, in welchem
die Wirbelströme induziert werden sollen, vorbeigeführt wurden. Diese Vorrichtungen,
die bei niederer Geschwindigkeit, der Relativverschiebung der elektrischen Pole
wirksam sein mögen, haben den Nachteil, daß oberhalb der verhältnismäßig niedrigen
Verschiebungsgeschwindigkeit das von dem treibenden Teil auf den getriebener, Teil
übertragene Drehmoment abfällt.
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Mittels der vorliegenden. Vorrichtung werden Betriebszustände erhalten,
in denen eine ständige Zuniahme im Drehmoment erfolgt, das mit der Geschwindigkeitserhöhung
der Polverschiebung übertragen wird.
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Die Fig. i und 2 zeigen clie Anwendung der Erfindung bei einem Brerasdynamometer.
Die Antriebswelle i wird von einer geeigneten Kraftquelle aus angetrieben. Auf .der
Antriebswelle i sitzt ein Rotor 3,. der einfach aus einem festen, magnetischen Material,
z. B. Eisen oder Stahl, hergestellt ist und der auf seinem Umfang Zähne 5 mit Zwischenräumen
7 trägt. Jeder Zahn 5 hat durch eine Mittelvertiefung 9 zwei Arbeitsflächen oder
Umfangsflächen i i, die, wie später ersichtlich wird, magnetische Verdichter oder
Ablernker bilden.
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Um die Welle i herum sitzt ein von Lagern 15 getragenes Schwinggehäuse
13. Die Welle i ist innerhalb des Gehäuses auf Lagern 17- gelagert. Dieses Gehäuse
13 bildet den energieaufnehmenden Teil, der Energie von der Welle i und dem Rotor
3 erhält, um sie in Wärme umzuwandeln, und der verdrängt wird, um das entsprechende
Drehmoment auf einer Meßvorrichtung anzuzeigen. Um die erzeugte Wärme abzuleiten,
hat der Umfang des Gehäuses 13 vier in Umfangsrichtung verlaufende Wasserumlaufkanäle
i9, die von den Einlässen 23 zu den Auslässen. 21 führen. Zwischen den Kanälen i9
.stehen radiale Wände 25, die den nachstehend beschriebenen Zwecken dienen. An die
Einlässe 23 und die Auslässe 21 schließen sich Querkanäle io an, die die betreffenden
Sätze von vier Kanälen i9 mit den Einlässen oder Auslässen verbinden. So kann Wasser
aus den Einlässen 23 durch die oberen Querkanäle io um die Kanäle i9 herum durch
die unterem Querkanäle io zu den betreffenden Auslässen 21 strömen. An allen Stellen,
mit Ausnahme an diesen Querkanälen io, trennen die radialen Wände 25 die Kanäle
i9 vollständig voneinander.
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Zwischen den beiden Teilen, die die Kanäle i9 bilden, ist eine in
Umfangsrichtung verlaufende Vertiefung 27 vorgesehen, in welcher eine in Umfangsrichtung
gewickelte Spule oder' ein Elektromagnet 29 liegt, der mit einer elektrischen Stromquelle
verbunden ist. Ein Drehmomentarm 31 am Gehäuse dient dazu, einen Druck auf eine
Meßvorrichtung o. dgl. auszuüben. Die Wassereinlässe 23 und -auslässe 21 haben selbstverständlich
biegsame Schlauchverbindungen, so daß das Gehäuse 13 frei um die Größe ausschwingen
kann, die durch die Meßvorrichtung gefordert wird, deren Berührung durch den Drehmomentarm
31 erfolgt.
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Aus dem Vorstehenden ist erkenntlich, daß, wenn der Stromkreis. durch
die Spule 29 hindurch geschlossen wird, die Erregung ein magnetisches Feld erzeugt,
,das in der allgemeinen Form eines Mantels um die Spule 29 herumliegt und längs,
der durch die Pfeile in Fig. 4 dargestellten Richtung verläuft. Dadurch werden zwei
magnetische Nordpole und Südpole induziert, die im Umfang des Gehäuses in axialer
Richtung liegen, wie dargestellt. Diese Nord- und Südpole induzieren entgegengesetzte
Polaritäten in den beiden Flächen i i jedes Zahnes 5, wobei der Kraftfluß durch
das Gehäuse und die verschiedenen Zähne 5 hindurchgeht. Alle Zähne an einem Ende
des Rotors 3 haben die gleiche Polarität. Alle nebeneinanderliegenden Zähne, gesehen
in Umfangsrichtung; sind also von der gleichen Polarität.
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Wenn ,die Welle i gedreht wird, verdichten oder konzentrieren, wie
erkenntlich, die Zähne 5, sobald ihre Flächen i i an einem gegebenen Punkt auf der
Innenfläche des Gehäuses 13 vorbeistreichen, die Linien des Kraftflusses von den
benachbarten Umflächen in Umflächen, die in der Nähe -der Umflächen der Flächen
i i der Zähne liegen.
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Bei der vorliegenden Verbesserung haben die aufeinanderfolgenden Verdichterpole
die gleiche Polarität. Sobald die benachbarten Pole von verschiedener Polarität
sind und in dem Induktor das
magnetische Feld selbst erzeugen, muß
dieses Feld notwendigerweise vollständig umgekehrt werden, sobald die aufeinanderfolgenden
entgegengesetzten Pole an dem gegebenen Punkt vorbeigehen. Bei der vorliegenden
Vorrichtung wird der Verlauf des magnetischen Kraftflusses in dem Induktor niemals
umgekehrt. Ferner ist das ganze magnetische Kraftfeld in dem Induktor der in dem
Induktor oder in einem feststehenden Teil liegenden Spule zuzuschreiben, wie dies
aus den Zeichnungen hervorgeht, und wird nicht induziert durch benachbarte und sich
bewegende Pole in dem gezahnten Teil, wie es bei bisherigen Ausführungen der Fall
war. Die Wirkung der benachbarten und sich bewegenden Pole besteht lediglich darin,
.die Bewegung des Feldes zu lenken, ohne zu induzieren oder es umzukehren.
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Ein Vorteil der in den Fig. i und 2 gezeigten Dynamometer besteht
darin, daß sie sehr genau einstellbar mit Bezug auf verschiedene Kraftgrößen sind.
Dies steht im Gegensatz zu der großen Schwierigkeit, die bei Einstellung ,der Belastung
bei anderen Dynamometern, wie Wasserbremsen, Seilbremsen usw., auftritt. Ferner
ist dieDynamometerausführung nach der vorliegenden Art bedeutend geringer in den
Herstellungskosten als die älteren Generatordynamometer. Beispielsweise benötigen
die älteren elektrischen Dynamometer zum Arbeiten bei sehr hohen Geschwindigkeiten
sehr teure Armaturen, während bei dem Dynamometer der vorliegenden Erfindung der
Rotor nur aus einem kleinen festgezahnten Stahlteil besteht.
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Es ist erkenntlich, daß die Wände 25 in radialer Richtung abgeflacht
und auf diese Weise gut geeignet sind, die magnetischen Kraftlinien hindurchzuleiten
und das Umlaufwasser zwischen sich zu führen. Der Kühlw.assermantel wird auf diese
Weise zum Leiten des magnetischen Kraftflusses verwendet. Der so gebildete Kraftflußweg
ist zwar nur unvollkommen, und der durch die vorliegende Ausbildung gewonnene Vorteil
besteht darin, daß der magnetische Kraftfluß durch diesen unvollkommenen Weg hindurch
nicht wechselnd ist. Offensichtlich würde es schwer sein, schnell wechselnde Kraftflüsse
durch solch einen unvollkommenen Weg, so verbessert er an sich auch ist, Es wurde
sorgfältig nach der richtigen Form des zu verwendenden Zahnes gesucht, um die höchste
Wirksamkeit bei dieser neuen Maschinenart zu erreichen. Zu diesem Zwecke wurde eine
große Anzahl von Rotoren mit verschiedenen Zahnformen hinsichtlich Breite, Tiefe,
Abstand, Abschrägung usw. angefertigt, und allgemein kann gesagt werden, daß es
von Vorteil ist, die Zähne vom Zahnfuß zur Zahnkopffläche abzuschrägen und ihre
Breite so zu wählen, daß die Polzahnbreite am Umfang zwischen 25 und 500/0, im Mittel
beispielsweise 35"/o, des auf dem Umfang gemessenen Gesamtabstandes von der Kante
eines Zahnes zu der entsprechenden Kante des nächsten Zahnes beträgt. Man kann mit
anderen Worten sagen: Die in Umfangsrichtung gemessene Breite eines Zwischenraumes
7 sollte für das höchste Drehmoment etwa zweimal die Breite der auf .dem Umfang
gemessenen Breite eines Zahnes 5 sein.
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Die Zahntiefe kann von ein Viertel bis zum Doppelten der Zahnbreite
geändert werden. Das beste ist, sie wie die letztere zu machen, da möglichst wenig
Streuung zwischen den. Zähnen gewünscht wird. Es ist wichtig, die Zahnkanten abzuschrägen,
um eine Kraftflußsättigung an der auf dem Umfang liegenden Fläche oder dien Flächenteilen
der Zähne zu erhalten.
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Es ist bekannt, daß, wenn die Flächenteile der Um f a:ngsfläch en
der Pole von; W i rbel strommasch inen etwa 300% kleiner als der Querschnittsflächenteil
gemacht werden, der erforderlich sein würde, um den ganzen Kraftfluß einschließlich
des Streuflusses, der nicht durch die Umfangsflächehteile hindurchgeht, zu leiten,
dann die höchste. Übertragungswirkung erhalten wird. Die gleiche Regel gilt für
die vorliegende Erfindung mit der Ausnahme, daß der in Betracht kommende Flächenteil
der Oberflächenteil der Zähne an dem Umfang der einen Hälfte des gezahnten Teiles
ist, verglichen mit der Querschnittsfläche des Rotors durch die innerhalb der Windung
derSpule 29 liegende Einschnürung, die die Flächenteile der. vertieften Verbindungsteileg
einschließt. Die Gesamtgröße der Oberflächenteile der Zähne an dem Umfang der einen
Hälfte des Rotors sollte also etwa 30010 kleiner sein als die Mittelquerschnittsfläche
des Rotors. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die Querschnittsfläche des Rotors
den ganzen Kraftfluß leiten muß, der durch die Umfangsflächen der Zähne austritt,
und außerdem noch den Streuungsfluß. Um eine höchste Verdichtung an den Umfangsflächen
der Zähne zu erreichen, sollte das Metall an diesen Flächen für Kraftfllußsättigung
hergerichtet sein. Da etwa 3o0/0 Streufluß außer dem durch die Umfangsflächen der
Zähne gehenden Kraftfluß vorhanden ist, folgt, daß zur Sättigung der Umfangsflächen
mit 70% des Kraftflusses die Flächenteile dieser Flächen im Bereich von 30% kleiner
als die Einschn,ürung des Rotors sein sollten oder müssen. Der Rotor ist in Wirklichkeit
ein axialer Pol, dessen Einschnürung den ganzen Kraftfluß leiten muß, während die
Oberflächenteile der Umfangsflächen .der den Kraftfluß leitenden Zähne nur dien
arbeitenden Kraftfluß leiten und der Rest des Kraftflusses der Streufluß ist.
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In Fig.3 ist dargestellt, wie in einer einzigen Einheit die Elemente
gemäß der Erfindung kombiniert werden können. Diese Figur ,ist eingefügt, um zu
zeigen, daß das neue Prinzip auch bei Verwendung von mehr als zwei Polen, je Zahn
zur Anwendung gebracht werden kann. Diese Kombination zeigt mehrere Einheiten in
Tandemschaltung und besitzt mehrere Einschnürungen, von denen jede Einschnürung
innerhalb der Windung einer Spule 29 liegt. An jeder Seite jedes Einschnürungsteiies
ist genug Oberflächenteil radialer Umfangszahnfläche i i vorhanden, um der oben
erläuterten Bedingung zu genügen. Wie in den Fig. i, 2, 4 werden die Flächenteile
der vertieften Verbindungsteile
9 als Querschnittsflächenteil der
Einschnürung angesehen. Es wird bemerkt, daß Fig.3 nur schematisch und nicht im
Maßstab gezeichnet ist.
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Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die den Kraftfluß
leitenden Wände zur wirkungsvollen Leitung des Kraftflusses ausgebildet sind und
daß sie diejenigen Teile sind, in denen die Wirbelströme erzeugt werden. Diese Teile
sind also ausgebildet, um i. den Kraftfluß zu leiten, 2. Wirbelströme zu erzeugen
und 3. Wärme mit hoher Geschwindigkeit in das Kühlwasser abzuleiten. Die großen
Schwierigkeiten bei Dynamo metervorrichtungen bestanden nicht nur in der Unfähigkeit,
Arbeit in Wärme umzuwandeln, sondern auch darin, die erzeugte Wärme schnell .zu
übertragen und abzuleiten. Bei der vorliegenden Erfindung werden diese drei Ftlnktnonen,
nämlich wirkungsvolle Kraftflußleitung, Umwandlung von Arbeit in Wärme sowie die
Wärmeableitung durch die einfache Ausbildung der beschriebenen Vorrichtung erleichtert.
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Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Form der Erfindung. In diesem Falle
ist die elektromagnetische Spule 29 um den treibenden Teil 3 anstatt um den getriebenen
Tei12 gewickelt, der durch den treibenden Teil beaufschlagt wird. Gewünschtenfalls
kann in Fig. 5 der Teil 2 durch eine Kraft in Umlauf gesetzt werden, worauf .in
diesem Falle Teil 3 beaufschlagt wird und getrieben werden oder gegen eine Dynamometerwaage
sich legen kann. Die Theorie ist im allgemeinen die gleiche; eine Umkehr des Kraftflußfeldes
ist in keinem Teil vorhanden, sondern lediglich eine Lenkung eines in einer Richtung
gerichteten Feldes.
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Wenn auch in. .dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 die wärmeaufnehmenden
Einrichtungen nicht dargestellt sind, eist selbstverständlich, daß sie leicht an
dieser Vorrichtung angebracht werden können. Es sind hier auch keine Verbindungsteile
9 gezeigt. Diese Teile sind bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung erwünscht,
sind aber nicht unbedingt notwendig.