DE938680C - Stufenloses, elektrisches UEbersetzungsgetriebe - Google Patents

Description

• Stufenloses, elektrisches Übersetzungsgetriebe Die Erfindung bezieht sich auf ein stufenloses, elektrisches Übersetzungsgetriebe, bei dem wie bei einer elektromagnetischen Schlupfkupplung ein elektromagnetisches Feld und ein Läufer (Kurzschlußläufer) vorgesehen sind, die gleichachsig umlaufen, von denen der eine Teil mit der Antriebs, der andere mit der Abtriebswelle verbunden sind, wobei die Stromzufuhr zu den Erregerwicklungen des elektromagnetischen Feldes durch Kollektor und Bürsten erfolgt, die mit einer relativen Winkelgeschwindigkeit zueinander umlaufen.
• Es sind solche elektrische Kupplungen bekannt, die einem Drehstrom-Kurzschlußmotor entsprechen. Das magnetische Kraftfeld wird bei dieser bekannten Ausführung nicht durch eine ruhende Drehstromwicklung, sondern durch eine mechanisch gedrehte Gleichstromwicklung erzeugt. Das Umlaufverhältnis der treibenden zur getriebenen Welle kann dabei nicht willkürlich geändert werden, denn es liegt durch den Schlupf fest, der von der Belastung abhängt.
• Außerdem ist vorgeschlagen, bei dieser Ausführung die fremde Stromquelle zur Erregung des magnetischen Kraftfeldes dadurch zu sparen, daß der Strom von der Kupplung selbst erzeugt wird. Zu dem Zweck soll der Kurzschlußläufer außer den Kurzschlußwicklungen noch mit den Ankerwicklungen und einem Kollektor einer Gleichstrommaschine versehen sein, welche den Strom für die Erregung der Feldmagnete liefern soll. Die Feldmagnete sollen den Anker in gewohnter Weise umgeben, aber abweichend von der üblichen Ausführung gleichachsig mit dem Anker drehbar sein. Wird jetzt einer der beiden drehbaren Teile, beispielsweise der Anker, durch einen Antrieb in Drehung versetzt, so wird ein Strom erzeugt, der das Magnetfeld erregt. Es wird ein Drehmoment auf den Läufer der Feldmagnete ausgeübt. Dieses Drehmoment sucht den Läufer der Feldmagnete mitzunehmen, gleichgültig ob der Anker die Kurzschlußwicklung besitzt oder nicht. Das Drehmoment wird Null, sobald der Anker und der Läufer der Feldmagnete die gleiche Winkelgeschwindigkeit haben. Es kann dann keine Leistung durch die Kupplung mehr übertragen werden, zumal auch kein Strom mehr erzeugt wird. Hieran wird auch nichts dadurch geändert, daß in den Stromkreis ein regelbarer Widerstand eingeschaltet ist. Die Kupplung stellt also kein willkürlich zu änderndes Übersetzungsgetriebe dar, im besonderen kann nicht das Übersetzungsverhältnis i : I für die Leistungsübertragung erreicht werden.
• Das Ziel der Erfindung ist es, die elektromagnetische Schlupfkupplung wegen ihrer Einfachheit und ihres hohen Wirkungsgrades, der 97 bis 980/o beträgt, auszunutzen und zu einem stufenlosen elektrischen Übersetzungsgetriebe auszugestalten. Eine solche elektromagnetische Schlupfkupplung bekannter Ausführung besitzt .ein fremderregtes elektromagnetisches Feld und einen Kurzschlußläufer, gleichachsig im gleichen Sinne umlaufend, von denen der eine Teil mit der Antriebs-, der andere mit der Abtriebswelle verbunden ist.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dem fremderregten elektromagnetischen Feld der Kupplung, welches mit der Welle umläuft; eine von dieser abweichende Winkelgeschwindigkeit gegeben werden kann, wenn dem mechanischen Umlauf der Wicklungen ein elektrisch kreisendes Feld überlagert wird. Dabei kann die resultierende absolute Winkelgeschwindigkeit des kreisenden magnetischen Feldes dann größer oder kleiner als die der Wicklungen, d. h. des Läufers, sein, je nachdem die Relativdrehung des elektrisch kreisenden Feldes der mechanischen Drehung gleich- oder entgegengerichtet ist.
• Dieses kann z. B. in der Weise geschehen, daß die Wicklungen des elektromagnetischen Feldes an die Lamellen eines Kollektors wie bei einer Gleichstrommaschine angeschlossen sind, wobei dieser Kollektor mit der Winkelgeschwindigkeit des Läufers umläuft. Bleiben die den Strom der Fremderregung zuführenden Bürsten auf dem Kollektor relativ zu diesem in Ruhe, laufen also auch sie mit der Winkelgeschwindigkeit des Läufers um, so sind die Verhältnisse die gleichen wie bei der elektromagnetischen Schlupfkupplung. Das Übersetzungsverhältnis ist, abgesehen von dem geringen Schlupf, i : I.
• Sobald nun aber die Bürsten mit einer anderen Umlaufszahl kreisen als der Kollektor, wandert das elektromagnetische Feld mit einer Winkelgeschwindigkeit relativ zum mechanisch umlaufenden Teil, die der Winkelgeschwindigkeit der Bürsten relativ zum Kollektor entspricht. Sie kann im Drehsinn des mechanisch umlaufenden Teiles erfolgen oder ihr entgegengesetzt sein.
• Da nun das fremderregte elektromagnetische Feld und der Kurzschlußläufer nahezu die gleiche Winkelgeschwindigkeit haben, so wird der Läufer des fremderregten elektromagnetischen Feldes entsprechend der Relativgeschwindigkeit des Feldes auf dem Läufer schneller oder langsamer laufen als der Kurzschlußläufer. Kreist das fremderregte Feld auf seinem Läufer mit der halben Winkelgeschwindigkeit der Drehrichtung entgegen, so wird dieser Läufer doppelt so schnell laufen wie der Kurzschlußläufer. Kreist das Feld auf seinem Läufer im Sinne seiner Drehung um 500/o schneller als der Läufer, so wird dieser nur zwei Drittel so schnell laufen wie der Kurzschlußläufer.
• Um dieses Übersetzungsverhältnis, das von der relativen Winkelgeschwindigkeit der Bürsten zum Kollektor abhängt, stufenlos zu regeln, ist es nur nötig, die Umlaufsgeschwindigkeit der Bürsten gegenüber. dem fremderregten Läufer stufenlos zu regeln. Da hierbei kein nennenswertes Drehmoment zu übertragen ist, kann dieses durch irgendein bekanntes stufenloses Übersetzungsgetriebe; z. B. ein Reibradgetriebe einfachster Ausführung, geschehen.
• Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung der Erfindung. Die Antriebswelle a trägt den Läufer b mit dem aus lamelliertem Eisen hergestellten Magneten d und den elektromagnetischen Wicklungen c. Diese empfangen den Strom von den Lamellen des Kollektors e, der hier als fest mit dem Läufer verbundener Hohlkollektor angenommen ist, so daß die umlaufenden Bürsten f durch die Fliehkraft gegen den vom Kollektor gebildeten Hohlzylinder gedrückt werden. Die Bürsten f empfangen den Strom von den Schleifringen g und h. Die Bürsten f zusammen mit den Schleifringen g und h sind -um die Welle a drehbar und erhalten ihre umlaufende Bewegung von dieser über ein stufenloses Übersetzungsgetriebe beliebiger Art. Als solches ist in der Zeichnung ein Reibradgetriebe angenommen. Fest mit der Welle verbunden ist das Zahnrad i, welches das Zahnrad h treibt. Dieses trägt die Reibscheibe m, welche die Reibscheibe n mittels des Reibrades o antreibt. Das mit der Reibscheibe n fest verbundene Zahnrad p treibt das mit der Welle a gleichachsige Zahnrad q, mit dem die Schleifringe g und h sowie die an die Schleifringe angeschlossenen Bürsten f verbunden sind. Das aus diesen Teilen f, g, h, und q bestehende System kann nun mit gleicher, höherer oder niedrigerer Winkelgeschwindigkeit als die Welle a je nach der Stellung der Reibrolle o, die in Achsenrichtung verschiebbar ist, umlaufen. Steht die Reibrolle o so, daß ihr Berührungspunkt auf der Reibscheibe m von der Drehachse dieser Scheibe ebenso großen Abstand hat wie der Berührungspunkt der Reibrolle auf der Reibscheibe n von deren Drehachse, so drehen sich beide Reibscheiben gleich schnell. Infolgedessen dreht sich das aus Zahnrad q, Schleifringen g und h sowie den Bürsten f bestehende System ebenso schnell wie die Welle a. Dieses System hat daher keine Relativbewegung gegenüber dem Läufer b mit der Wicklung c. Das elektromagnetische Übersetzungsgetriebe wirkt wie eine Schlupfkupplung.
• Wird die Reibrolle in Achsenrichtung verschoben, so daß der Abstand ihrer Berührungspunkte von der Achse der Reibscheibe m kleiner ist als von der Achse der Reibscheibe n, so dreht sich die Reibscheibe n langsamer als m und damit auch das um die Achse der Welle a umlaufende System mit den Bürsten f langsamer als die Achse a. Die elektromagnetischen Felder des Läufers b bleiben daher hinter dem Läufer b zurück. Die Welle r des Kurzschlußläufers s dreht sich daher langsamer als die Welle a.
• Das Umgekehrte tritt ein, wenn der Abstand des Reibrades o von der Achse der Reibscheibe m größer ist als von der Achse der Reibscheibe n.
• Laufen die Bürsten f ebenso schnell um wie die Welle a, so wirkt das Übersetzungsgetriebe, wie oben gesagt, wie eine elektromagnetische Schlupfkupplung. Der Schlupf beträgt dabei etwa o,8 °/o und die Aufnahme an elektrischer Leistung auch etwa o,8 0/o der übertragenen Leistung.
• Laufen die Bürsten f schneller um als die Welle a und damit auch die Welle r mit dem Kurzschlußläufer s schneller als die Welle a, so wird ein Teil der auf den Kurzschlußläufer s übertragenen Leistung wie bei der Schlupfkupplung von der Welle a auf den Läufer b übertragen, während der andere Teil von der Erregermaschine, die beispielsweise von der Welle a angetrieben wird, elektrisch zu den Wicklungen c gelangt. Bezüglich dieses letzten Teiles verhält sich das Übersetzungsgetriebe wie ein Elektromotor, der mit dem Unterschied der Winkelgeschwindigkeit der Welle a und der Bürsten f betrieben wird.
• Laufen die Bürsten f langsamer um als die Welle a und damit auch die Welle r mit dem Kurzschlußläufer s, so wird ein Strom in den Wicklungen c des Läufers b induziert, Es wird Strom durch die Bürsten f abgegeben. Die mit der Welle a direkt gekuppelte oder über ein Zahnradgetriebe verbundene Erregermaschine wird zum Motor, nimmt elektrische Leistung auf und gibt mechanische Leistung an die Welle a ab. Auf diese Weise kann z. B. ein mit der Welle r verbundenes Schwungrad unter starkem Geschwindigkeitsabfall Leistung an die mit nahezu gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit umlaufende Welle a abgeben.
• Dieses ist für Gasturbinen wichtig. Wenn die Belastung einer Gasturbine plötzlich steigt, ist im Gegensatz zur Dampfturbine kein Energiespeicher in Form eines Dampfkessels vorhanden, aus dem die Leistungssteigerung gedeckt werden könnte, denn die Verdichter der Gasturbinenanlage benötigen, ehe sie die für die größere Turbinenleistung erforderliche größere Luftmenge höheren Druckes abgeben können, selbst erst eine größere Leistung. Diese größere Nutz- und Verdichterleistung kann durch das Übersetzungsgetriebe von einem Schwungrad auf die Welle r an die Turbinenwelle a abgegeben werden, wenn die Umlaufszahl des Schwungrades mit Hilfe des Übersetzungsgetriebes herabgedrückt wird. Die auf diese Weise dem Schwungrad zu entnehmenden Leistungen sind sehr bedeutend, ohne daß das Schwungrad zu große Abmessungen erhält, wenn seine Umfangsgeschwindigkeit hoch gewählt wird.
• Das stufenlose elektrische Übersetzungsgetriebe kann auch. mit Vorteil zum Antrieb von Schiffen, z. B. - Schleppern, zwischen Antriebsmaschine und Schiffspropeller eingeschaltet werden, um den Propeller z. B. bei .langsamer Fahrt, wie sie sich bei großer Schlepplast oder beladenem Schiff ergibt, mit im Verhältnis zur Antriebsmaschinen-Umlaufszahl kleinerer Umlaufszahl betreiben zu können als bei schneller Fahrt, wenn das Schiff nur einen geringen Widerstand zu überwinden hat.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Stufenloses elektrisches Übersetzungsgetriebe, bei dem wie bei einer elektromagnetischen Schlupfkupplung ein elektromagnetisches Feld und ein Läufer (Kurzschlußläufer) vorgesehen sind, die gleichachsig umlaufen, von denen der eine Teil mit der Antriebs-, der andere mit der Abtriebswelle verbunden sind, wobei die Stromzufuhr zu den Erregerwicklungen des elektromagnetischen Feldes durch Kollektor und Bürsten erfolgt, die mit einer relativen Winkelgeschwindigkeit zueinander umlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß diese relative Winkelgeschwindigkeit zueinander durch ein beliebiges, zweckmäßig stufenloses Übersetzungsgetriebe verstellt werden kann.
2. 2. Übersetzungsgetriebe nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die mit verstellbarer relativer Winkelgeschwindigkeit zum Kollektor des Läufers des elektromagnetischen Feldes umlaufenden Bürsten auf einer äußeren oder inneren zylindrischen oder rechtwinklig zur Welle stehenden ebenen Kollektorfläche schleifen.
3. 3. Übersetzungsgetriebe nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Läufer des fremderregten elektromagnetischen Feldes oder dessen Welle über ein stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe beliebiger Art, z. B. ein Reibradgetriebe, ein um die gleiche Welle umlaufender Bürstenhalter angetrieben wird, dessen Bürsten über einen mit dem Läufer des elektromagnetischen Feldes umlaufenden Kollektor den Wicklungen dieses Feldes den Erregerstrom zuführen. q.. Übersetzungsgetriebe nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Antrieb von Schiffen, z. B. Schleppern, zwischen Antriebsmas:chine und Schiffspropeller eingeschaltet ist, um den Propeller, z. B. bei langsamer Fahrt (große Schlepplast oder beladenes Schiff), mit im Verhältnis zur Antriebsmaschinen-Umlaufszahl kleinerer Umlaufszahl betreiben zu können als bei schneller Fahrt. 5. Übersetzungsgetriebe nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß .es zwischen einer Schwungrad- und einer Nutzleistungswelle eingeschaltet wird, um die Leistung der Nutzwelle zeitweilig durch Leistungsabgabe des sich verzögernden Schwungrädes zu steigern und es zeitweilig von der Nutzwelle wieder durch Beschleunigung aufzuladen. 6. Übersetzungsgetriebe nach -Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Belastung oder Umlaufszahl der Nutzwelle beeinflußter Regler bei steigender Last oder sinkender Umlaufszahl der Nutzwelle das Übersetzungsverhältnis der Nutz- zur Schwungradwelle vergrößert, so daß das Schwungrad Arbeit an die Nutzwelle überträgt und daß das Übersetzungsverhältnis im umgekehrten Sinne beeinflußt wird, sobald die Nutzwelle Leistungsüberschuß abzugeben imstande ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 551 44; österreichische Patentschrift Nr. 134 557 USA.-Patentschrift Nr. 2 459 829; deutsche-Patentschrift Nr. 726, 59o.