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Die
Erfindung betrifft eine Wirbelstromkupplung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Lüfterkupplung
mit einer solchen Wirbelstromkupplung.
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Stand
der Technik:
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Aus
der europäischen
Patentschrift
EP 0
634 568 A1 ist eine Reibschaltkupplung für ein Lüfterrad eines
Kraftfahrzeugverbrennungsmotors bekannt, bei welchem das Lüfterrad
zur unmittelbaren Übertragung
der Motordrehzahl über
eine erste Reibscheibenkupplung direkt mit einer Antriebswelle verbunden
ist und das Lüfterrad
bei abgeschalteter Reibscheibenkupplung durch eine zweite Kupplung in
Form einer Wirbelstromkupplung mitgeschleppt wird. Die Wirbelstromkupplung
umfasst an zwei gegenüberliegenden
Kreisringbereichen auf einer Seite ein Magnetscheibenrad mit Permanentmagneten und
auf der gegenüberliegenden
Seite einen flachen Kupferkreisring, der auf einem flachen Stahlkreisring angeordnet
ist. Durch den Stahlring wird das Magnetfeld der Wirbelströme verstärkt, wodurch
sich die Effektivität
der Wirbelstromkupplung verbessert.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
35 11 300 A1 eine Elektromagnetkupplung zur Herstellung
einer Rotationsverbindung zwischen einem Antriebsdrehelement und
einem Abtriebsdrehelement bekannt, mit einer stationären Erregungsvorrichtung
und einem über
Federplatten mit dem Abtriebsdrehelement drehfest verbundenen Anker,
welcher bei aktiver Erregungsvorrichtung mit dem Antriebsdrehelement gekuppelt
wird. Um bei gleichem Bauvolumen das übertragbare Drehmoment zu vergrößern, ohne
den maximalen überbrückbaren
Luftspalt wesentlich zu beeinflussen, wird vorgeschlagen, die Polfläche des Ankers
mit feinen konkaven Ausnehmungen zu versehen.
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Die
bekannt gemachte Deutsche Patentanmeldung Z 4578 VIII b/21d zeigt
eine Dauermagnetkupplung mit zwei koaxialen Drehkörpern, von
denen der eine aus einem Kranz von Dauermagneten besteht, während der
andere unter Zwischenschaltung eines Luftspaltes ein ringförmiges Metallband
bildet, das aus zwei Teilen mit verschiedenen Magnetfeldeigenschaften
besteht, wobei ein Teil magnetisierbar ist und mindestens zwei Kränze von
Dauermagneten vorhanden sind, denen eine entsprechende gleiche Zahl
von Metallbändern
gegenübersteht,
die untereinander unterschiedliche Magnetfeldeigenschaften aufweisen.
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Die
DE 816 715 A betrifft
eine permanentmagnetische Wellenkupplung mit einem Luftspalt zwischen
den beiden Kupplungsteilen. Jeder der beiden Kupplungsteile ist
mit mehreren einzelnen Magnetpolen versehen. Die einzelnen Magnetpole
jedes Kupplungsteils werden von einem einzigen in seiner Achsrichtung
magnetisierten Ringmagneten erregt, welcher konzentrisch zur Drehachse
angeordnet und mit zwei Polschuhringen versehen ist, die auf der dem
Luftspalt zugekehrten Seite Zähne
besitzen, welche die einzelnen Magnetpole bilden und derart abgebogen
sind, dass sie zum Luftspalt parallel verlaufen.
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Die
DE 42 07 710 A1 schlägt eine
elektromagnetisch betätigbare
Reibscheibenkupplung vor, wobei ein anzutreibendes Element über eine
erste elektromagnetische Reibscheibenkupplung mit der Antriebsdrehzahl
antreibbar ist und bei nicht geschalteter erster Reibscheibenkupplung über eine
mittels einer zweiten Reibscheibenkupplung schaltbaren Wirbelstromkupplung
mit einer niedrigeren Schleppdrehzahl antreibbar ist. Ein Rotor
weist dabei an seiner radial außen
liegenden Ringwand oder Hohlwelle eine Riemenantriebsscheibe für einen
Antrieb auf, wobei zwischen dem anzutreibenden Element und dem Rotor
mit Riemenscheibe eine weitere Wirbelstromkupplung zur Erzeugung
einer weiteren Schleppdrehzahl vorgesehen ist.
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Aufgabe
und Vorteile der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vergleichsweise verbesserte
Effektivität
im Hinblick auf eine Drehmomentübertragung
bei Systemen mit einer Wirbelstromkupplung zu erzielen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst.
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In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung beschrieben.
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Die
Erfindung geht von einer Wirbelstromkupplung für insbesondere ein Aggregat
einer Verbrennungskraftmaschine z.B. für ein Lüfterrad eines Ventilators oder
eine Wasserpumpe aus, mit einem ersten bewegbaren Kupplungselement,
das einen elektrisch leitenden Wirbelstromabschnitt umfasst, in welchem
sich Wirbelströme
ausbilden können
und mit einem zweiten Kupplungselement, das relativ zum ersten Kupplungselement
bewegbar ist und an welchem Magnete, insbesondere Permanentmagnete
derart angeordnet sind, dass bei einer Relativbewegung der ersten
und zweiten Kupplungselemente zueinander die Magnete an den Wirbelstromabschnitten
vorbeigeführt
werden, wobei das erste und zweite Kupplungselement am Wirbelstromabschnitt über einen
Luftspalt getrennt ist und wobei im Wirbelstromabschnitt Magnetleitmittel
aus magnetisch leitendem Material vorgesehen sind. Der Kern der
Erfindung liegt nun darin, dass die Magnetleitmittel zur merklichen
Verbesserung der Einkopplung des magnetischen Feldes von induzierten
Wirbelströmen
in das Feld der Magnete die Magnetleitmittel im Wirbelstromabschnitt
sich in Umfangsrichtung abwechselnde in Richtung auf die Magnete
gerichtete, den Magneten nähere
erste Bereiche und an tiefer liegenden Stellen gegenüber den
Magneten entferntere zweite Bereiche aufweisen, insbesondere so dass
die Magnetleitmittel in mehreren ersten Bereichen, deren Fläche im Vergleich
zur zu den Magneten schauenden Fläche des Wirbelstromabschnitts nicht
unwesentlich ist, planmäßig in Richtung Luftspalt
geführt
sind, sich jedoch auch vom Luftspalt aus betrachtet, zwischen den
ersten Bereichen an im Wirbelstromabschnitt tiefer liegenden Stellen über weitere
zweite Bereiche erstrecken. Über
diese Bereiche sollten sich die Magnete ebenfalls vorbeibewegen.
Die Fläche
der ersten Bereiche sollte vorzugsweise nicht weniger als 20 % der
Fläche
des Wirbelstromabschnitts betragen, um eine spürbare verbesserte Einkopplung
des magnetischen Feldes von induzierten Wirbelströmen zu erreichen.
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Vorteilhafterweise
ist wenigstens ein Teil der Magnetleitmittel, vorzugsweise alle
Magnetleitmittel der ersten Bereiche spaltfrei mit den Magnetleitmitteln
der zweiten Bereiche verbunden, um eine möglichst gute magnetische Kopplung
zu erreichen. Vorteilhafterweise erstrecken sich die ersten Bereich
zumindest annähernd über die
komplette Breite des länglichen
Wirbelstromabschnitts.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und
zweite Kupplungselement drehbar gelagerte, vorzugsweise im wesentlichen
rotationssymmetrische Körper,
in welchen der Wirbelstromabschnitt als auch die Magnete in jeweils
einem kreisringförmigen
Bereich ausgebildet sind, wobei sich die Kreisringbereiche gegenüber liegen.
Es ist auch möglich,
dass sich in den Kreisringbereichen Wirbelstromabschnitte sowie
Abschnitte mit Magneten abwechseln.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere bei
kreisringförmigen
Magnet- und wirbelstrombereichen, sind die ersten Bereiche länglich und
erstrecken sich radial.
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Die
ersten Bereiche folgen vorzugsweise dabei so dicht aufeinander,
dass die zweiten Bereiche ebenfalls länglich und radial ausgebildet
sind.
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Um
eine Optimierung der magnetischen Einkopplung des magnetischen Feldes
von induzierten Wirbelströmen
zu erhalten, wird im weiteren vorgeschlagen, dass zumindest in einem
Teil der ersten Bereiche die Magnetleitmittel bis zum Luftspalt
geführt
sind. Vorteilhafterweise sind die Magnetleitmittel in allen ersten
Bereichen bis unmittelbar an den Luftspalt herangeführt. Auf
diese Weise wird eine Interaktion zwischen dem Feld der Magnete
und dem in den Magnetleitmitteln konzentriertem Feld der induzierten
Wechselströme
lediglich durch einen schmalen Luftspalt unterbrochen. D.h. die
Führung
des magnetischen Feldes in nicht magnetisch leitendem Material ist
lediglich auf den Luftspalt reduziert.
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Gegenüber einer
herkömmlichen
Wirbelstromkupplung kann durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei einer
entsprechenden Dimensionierung der ersten und zweiten Bereiche ohne
weiteres eine bis zu dreifach höhere
Drehmomentübertragung
bei gleicher magnetischer Energie der eingesetzten Magnete erreicht
werden.
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Im
Weiteren ist es bevorzugt, wenn die Magnetleitmittel einen flächigen Kreisring
umfassen, bei welchem auf einer Fläche vorzugsweise gleich beabstandete
Erhebungen angeordnet sind. Die Erhebungen können im Querschnitt rechteckförmig sein
und als radiale Stege ausgestaltet sein, deren Länge bevorzugt der Breite des
Kreisrings entspricht. Die Stege können in ihrer Höhe, d.h.
ihrer Dimension senkrecht zur Kreisringfläche so dimensioniert sein,
dass sie bis zum Luftspalt reichen.
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In
einer überdies
bevorzugten Ausführungsform
wird ein derart, z.B. als Stahlring ausgestaltetes Magnetleitmittel,
in den wirbelstromabschnitt, der beispielsweise aus Aluminium besteht,
eingegossen. Dadurch lassen sich Erhebungen der Magnetleitmittel
vergleichsweise einfach bündig
mit der Oberfläche
des Wirbelstromabschnitts ausgestalten.
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Die
beschriebene Wirbelstromkupplung kann bevorzugt in Lüfterkupplungen
für den
Ventilator eines Verbrennungsmotors oder einer Wasserpumpe mit einer
oder mehreren elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplungen
kombiniert eingesetzt werden.
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Zeichnungen:
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und unter Angabe
weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen
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1 ein
Ausschnitt einer Lüfterkupplung
in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht bei einem Schnitt
durch die Mittellinie der Antriebswelle,
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2 in
einer perspektivischen Darstellung eine Wirbelstromringscheibe mit
eingegossenen Magnetleitmitteln und
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3 die
Magnetleitmittel in Alleinstellung ebenfalls in einer perspektivischen
Ansicht.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels:
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In 1 ist
eine zweistufige Lüfterkupplung 1 abgebildet.
Die Lüfterkupplung 1 umfasst
zwei elektromagnetisch betätigbare
Reibscheibenkupplungen 2, 3 sowie eine Wirbelstromkupplung 4.
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Die
Ankerringschreiben 5, 6 der Reibscheibenkupplungen 2, 3 werden
von Elektromagneten 7, 8 bewegt, die in einem
feststehenden Stator 9 angeordnet sind.
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Für den Fall,
dass beide Reibscheibenkupplungen 2, 3 außer Eingriff
sind, wird ein Flansch 10 eines Lüfterrades lediglich mit Reibmomenten
einer Kugellageranordnung 11 angetrieben, sofern sich eine
Antriebswelle 12 dreht. Bei sich in Eingriff befindender
Reibscheibenkupplung 3 wird die Drehung der Antriebswelle 12 auf
einen Mittelring 11a der Kugellageranordnung 11 übertragen,
an dem ein Kühlring 13 fest
angeordnet ist. In dessen radial äußeren Bereich befindet sich
die Wirbelstromkupplung. Durch die Wirbelstromkupplung wird der
Flansch 10 des Lüfterrades
mitgeschleppt.
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Bei
sich in Eingriff befindender Reibscheibenkupplung 3 wird
der Flansch 10 des Lüfterrades unmittelbar
angetrieben.
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Die
Wirbelstromkupplung 4 ist wie folgt aufgebaut:
In
einem Kreisringbereich sind am Flansch 10 in Umfangsrichtung
Permanentmagnete 14 in Umfangsrichtung mit alternierender
Polung (Nord/Süd)
angeordnet. Die Permanentmagnete 14 werden durch einen
Distanzring 15 in ihrer Position fixiert.
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Bei
sich drehendem Kühlring 13 induzieren die
Magnetfelder der Permanentmagnete 14 in einem wirbelstrombereich 16 des
Kühlrings 13 Wirbelströme. Diese
Wirbelströme
erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete 14 in
eine Interaktion tritt und diesem Magnetfeld derart entgegenwirkt,
dass der Flansch 10 durch eine Drehung des Kühlrings 3 ebenfalls
in eine Drehung versetzt wird.
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Normalerweise
ist der Wirbelstrombereich 16 in Form einer elektrisch
gut leitenden Kreisringscheibe (z.B. aus Kupfer) aufgebaut, die
auf einer Stahlringscheibe angeordnet ist. Die Stahlringscheibe
verbessert die Ausbildung des magnetischen Feldes der durch die
Permanentmagnete induzierten Wirbelströme.
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An
dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem eine Stahlringscheibe 17 als
Magnetleitmittel mit Stegen 17a versehen ist, die bis an
einen Luftspalt 18 zwischen Kühlring 13 und Flansch 10 heranreichen. Die
ebenfalls stegförmigen
Zwischenräume 19 zwischen
den Stegen 17a sowie in radialer Richtung ein innen und
außen
liegender Bereich sind hier mit Aluminium ausgegossen, so dass zusammen
mit den Stegen eine bündige
Oberfläche
aus magnetisch leitendem Material und elektrisch sehr gut leitendem Material
entsteht. Durch diesen Materialmix, der dem Permanentmagneten gegenüber liegt,
werden aufgrund des Magnetfelds der Permanentmagnete in dem gut
leitenden Material 19, hier Aluminium, zwischen den Stegen 17a weitaus
größere Wirbelströme erzeugt,
als in den Stegen 17a selbst. Dabei wird jedoch die Feldführung durch
die Stege 17a und den Stahlring 17 des Magnetfelds
der Wirbelströme
in den Zwischenbereichen 19 in einem magnetisch schlecht
leitenden Material auf den Luftspalt reduziert wird. Damit lässt sich
eine deutlich verbesserte Einkopplung des Magnetfelds der Wirbelströme im Vergleich
zu einem Stahlring ohne Stege in das Feld der Permanentmagnete erzielen,
wodurch eine deutlich höhere
Drehmomentübertragung
vom Kühlring 13 auf
den Flansch 10 des Lüfterrades
realisierbar ist.
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Bei
gleichbleibenden Permanentmagneten lässt sich für das vorliegende Beispiel
eine Steigerung der Drehmomentübertragung
um ca. den Faktor 3 erreichen. Dieser Vorteil kann jedoch nicht
nur durch eine höhere Drehmomentübertragung
genutzt werden, sondern auch durch die Möglichkeit, bei gleichem Drehmoment
die Wirbelstromkupplung kleiner zu dimensionieren.
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Der
Wirbelstrombereich in Form des mit Aluminium ausgegossenen Stahlrings 17 mit
Stegen 17a lässt
sich über
Bohrungen 20 (siehe 2 und 3)
und entsprechende Schrauben am Kühlring 13 in
einfacher Weise fixieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Stahlring 17 mit Stegen 17a in den Kühlring 13 aus
Aluminium eingegossen, wobei die Stegenden mit der übrigen Kühlringoberfläche an diesen
Stellen bündig
sind.
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Der
Stahlring 17 mit Stegen 17a lässt sich in einem Umformprozess
spanlos herstellen.
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Die
Dimensionierung der Breite bs der radial angeordneten Stege zur
Breite bw der entsprechend radial angeordneten Bereichen 19 für die Ausbildung von
Wirbelströmen
kann im Hinblick auf einen Ausgleich zwischen maximalem magnetischen
Wirkungsgrad und Maximierung der elektrischen Wirbelströme optimiert
werden. Vorliegend beträgt
das Flächenverhältnis der
radialen Stege 17a zu den Zwischenbereichen 19 ungefähr 1:1.
Mit anderen Materialien können
gegebenenfalls andere Flächenverhältnisse
zu einer Maximierung der Drehmomentübertragung der Wirbelstromkupplung 1 führen.
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- 1
- Lüfterkupplung
- 2
- Reibschreibenkupplung
- 3
- Reibscheibenkupplung
- 4
- Wirbelstromkupplung
- 5
- Ankerringscheibe
- 6
- Ankerringscheibe
- 7
- Elektromagnet
- 8
- Elektromagnet
- 9
- Stator
- 10
- Flansch
- 11
- Kugellageranordnung
- 11a
- Mittelring
- 12
- Antriebswelle
- 13
- Kühlring
- 14
- Permanentmagnet
- 15
- Distanzring
- 16
- Wirbelstrombereich
- 17
- Stahlring
- 17a
- Steg
- 18
- Luftspalt
- 19
- Aluminium
- 20
- Bohrung