DE1576715A1

DE1576715A1 - Belueftungseinrichtung zur Kuehlung einer Waermekraftmaschine

Info

Publication number: DE1576715A1
Application number: DE19671576715
Authority: DE
Inventors: Francois Andriussi; Pierre Rouques
Original assignee: RECH S MAGNETIQUES S E R M A G
Current assignee: RECH S MAGNETIQUES S E R M A G
Priority date: 1966-06-27
Filing date: 1967-03-30
Publication date: 1970-05-21
Also published as: GB1172917A; FR1492184A; NL6708883A; US3458122A; ES366106A2; DE1576715B2; SE343105B; ES342288A1; BE700440A

Description

Dr.W.P. Radt S.E.R.M.A.G. SOCIETE D¹ETUDES ET

Dipl.-lng.E.E.Finkener DE RECHERCHES MAGNETIQUES

Dipl.-Ιησ. VV. Ernesti 38 ST. MARTIN D¹HERES (Frankreich)

Patentanwälte __—__———_—_—_————_____________

Bochum
Heinridi-KöQlg-Str. 12

67 130
EEF/US

Belüftungseinrichtung zur Kühlung einer Wärmekraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf die Kühlung von Wärmekraftmaschinen.

Bekanntlich erfordert die Kühlung einer Kraftmaschine das Vorhandensein eines Luftstromes, der entweder direkt auf den Motor (Luftkühlung) oder auf einen Wärmeaustauscher oder Radiator gerichtet ist (Flüssigkeitskühlung). Wenn die Betriebstemperatur des Motors bei allen Belastungen annähernd konstant sein soll, muß die Kühlluftmenge den Wärmeverlusten des Motors proportional sein.

Bei der Kühlung von Kraftfahrzeugen wird die Kühlluftmenge einerseits durch die Fahrtgeschwindigkeit und andererseits durch einen zusätzlichen Ventilator erzeugt.

Bei schwachen Belastungen, z.B. wenn das Fahrzeug mit geringer Geschwindigkeit fährt, sinkt der thermische Wirkungsgrad der Motoren beträchtlich ab, wodurch der Prozentsatz der durch das Kühlsystem abzuführenden Wärmemenge sich vergrößert.

Die Wärmeaustauschoberflächen, z.B. Rippen oder Radiatorrohre, sind durch einen wirtschaftlichen Kompromiß festgelegt. In allen Fällen ist die natürliche Belüftung infolge der Fahrtgeschwindigkeit praktisch bei großen Geschwindigkeiten ausreichend. Im Gegensatz dazu ist für niedrige Geschwindig-

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Neue Unterlagen (Art-7 § l Abs. 2 Nr. I Satz 3 des Xnderungsgea. v. 4.9.19671

keiten und vor allem, wenn das Fahrzeug bei laufendem Motor steht, ein zusätzlicher Ventilator erforderlich.

Es ergibt sich, daß die Ventilatoren, die für diese Bedingungen ausgelegt sind, stets überdimensioniert sind für hohe Geschwindigkeiten. Die Antriebsleistung des Ventilators, die sich global mit dem Quadrat der Drehgeschwindigkeit ändert, ist daher nicht unbeträchtlich (mehrere kW) und völlig verloren. Darüber hinaus wird das Betriebsgerausch des Ventilators störend.

Es sind verschiedene Vorschläge bekanntgeworden, die auf dem Prinzip beruhen, den Ventilator entweder durch Auskuppeln oder dadurch, daß man seinen unabhängigen Antriebsmotor stoppt, anzuhalten, wenn er überflüssig ist. Zu diesem Zweck mißt ein Thermostat die Temperatur des Kühlwassers und schaltet den Ventilator nur oberhalb einer bestimmten Temperatur ein.

Grundsätzlich können diese Einrichtungen nur bei Motoren mit Flüssigkeitskühlung benutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Kühlung einer Wärmekraftmaschine so auszubilden, daß sie den Betriebserfordernissen des Motors angepaßt ist und ohne unnötigen Leistungsverlust für alle Arten der Kühlung benutzt werden kann.

Bei einer Belüftungseinrichtung zur Kühlung einer Wärmekraftmaschine besteht die Erfindung darin, daß sie aus dem angetriebenen Rotor eines Ventilators, einer koaxialen An-

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triebewelle, die von dem zu kühlenden »Motor angetrieben wird, ,sowie aus zwei magnetischen Elementen besteht, die sich ohne mechanischen Kontakt gegenüberliegen und von denen das eine mit der Antriebswelle und das andere mit dem angetriebenen Rotor verbunden ist, wobei eines der Elemente einen Induktor und das andere ein induziertes Teil (Anker) bildet, das gleichzeitig die Eigenschaften eines Dauer- , magneten hat und so geformt und bemessen ist, daß es der Magnetisierung des Induktors unterworfen wird.

Bei dieser Einrichtung wird der Ventilator durch den Motor selbst in Drehung versetzt, und zwar entweder am Ende der Kurbelwelle oder auf der Nockenwelle oder an der Wasserpumpe o. dgl.; es besteht jedoch kein mechanischer Kontakt zwischen den sich drehenden Teilen des Motors und dem Rotor der Belüftungseinrichtung. Die Mitnahme erfolgt durch magnetische Mittel, deren Prinzip an sich unter dem Namen "Mitnahme durch Hysterese" bekannt ist, d.h. unter selbsttätigem Rutschen, ausgehend von einem maximal übertragbaren Drehmoment.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß der Induktor vielpolig ist und entweder elektromagnetisch oder vorzugsweise ein Dauermagnet.

Der Anker is't aus permanent-magnetischem Material, meist aus einer der bekannten ferromagnetischen Legierungen, bei denen das Eisen Zusätze von Kohlenstoff, Chrom, Wolfram oder Kobalt einzeln oder gemeinsam enthält, oder aus Legierungen vom Typ Nickel-Aluminium-Eisen. Die Abmessungen und die mag-:

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netischen Eigenschaften sind so ausgewählt, daß der Anker der Magnetisierung des Induktors unterworfen wird.

Beispielsweise kann eine Legierung benutzt werden, die durch ein Koerzitiv-Feld von Ή 400 Ampere-Touren pro Minute definiert ist, das völlig ausreicht, in Verbindung mit einem Induktor aus Bariumferrit.

Weitere Eigenschaften sind·in der folgenden Beschreibung erwähnt.

Auf der Zeichnung ist 'ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Pig. 1 einen Längsschnitt durch eine Belüftungseinrichtung, Fig. 2 eine Vorderansicht des Magnetinduktors,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des übertragenen Drehmomentes in Abhängigkeit von dem Rutschen,

Fig. 4· eine andere graphische Darstellung, die die Geschwindigkeit des Ventilators in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Antriebsteiles zeigt,

Fig. 5 eine graphische Darstellung verschiedener Leistungsund Drehmomentwerte in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Antriebsteiles,

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer anderen Ausführungsform,

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Fig. 7 einen Axialschnitt bei einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 8 einen Schnitt gemäß der Linie 8-8 der Figur 7·

Bei dem auf Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf das überstehende Ende der Drehwelle 1 bei 2 eine Riemenscheibe 3 aufgekeilt, die mit einer Antriebswelle verbunden ist. An der Riemenscheibe ist eine Platte 4 durch Kleben und/oder mittels Schrauben befestigt, die den antreibenden Anker bildet und aus einer Legierung mit ferromagnetische^ Eigenschaften, beispielsweise aus Stahl mit Kobalt, besteht.

Diese Platte oder besser gesagt Scheibe 4- bildet das antreibende Element der Hysteresekupplung. Das angetriebene Element besteht aus einem Magnetinduktor 5» der die Form eines Ringes (Figur 2) mit Nord- (N) und Südpolen (S) hat, die auf der ebenen Fläche abwechseln, die der antreibenden Scheibe zugewandt ist. Der angetriebene Magnet ist in einer ringförmigen Ausnehmung 6 des Rotors 7 eines Ventilators angeordnet und durch Kleben befestigt.

Der Rotor 7 dreht sich auf einer glatten Verlängerung 8 der antreibenden Welle 1 auf einem Kugel- oder Rollenlager 9 und einem Fadellager 10, das nahezu in radialer Verlängerung, des Dauermagneten 5 angeordnet ist, der wegen des geringen Platzbedarfs eines solchen Lagers trotz eines relativ kleinen Außendurchmessers eine große Vorderfläche bei kleinem Raumbedarf hat.

An dem Rotor 7» der durch einen Schraubring 11 gehalten wird,

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der auf das mit einem Gewinde versehenen Ende 12 der Welle aufgeschraubt ist, sind die üblichen Flügel 13 befestigt.

Die Einrichtung arbeitet wie folgt:

Der induzierte und treibende Anker 4- wird durch die bloße" Anwesenheit des Feldes des angetriebenen-Induktors 5 magnetisch. Das System ist daher vergleichbar mit einer magnetischen Synchronübertragung und kann ein bestimmtes Drehmoment Co entwickeln, das von der Konstruktion, d.h. der Art der Elemente 4- und 5 und deren Abmessungen abhängt.

Im Gegensatz zu dem, was sich bei einer magnetischen Synchronkupplung abspielt, tritt ein Rutschen auf, wenn das gewünschte Drehmoment den Wert Co überschreiten will. Jede Zone des treibenden Ankers 4 wird abwechselnd in dem einen und dem anderen Sinne magnetisch und bildet so eine Hysteresisschleife.

Es ergibt sich, daß das übertragene Drehmoment konstant und unabhängig von der Rutschgeschwindigkeit ist. Genau genommen vergrößert es sich praktisch leicht mit dem Rutschen infolge entstehender Foucault'scher Ströme.

Figur 3 zeigt die Veränderung des übertragenen Drehmoments Ci in Abhängigkeit von dem Rutschen. Das Drehmoment ist auf der Ordinate, das Rutschen in Touren pro min (T/min) auf der Abszisse aufgetragen.

Die Drehgeschwindigkeit η des Ventilators ist gleich der Ge schwindigkeit N des treibenden Teiles, solange k^cin Rutschen

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stattfindet, beispielsweise bis zu 1500 T/min (Abschnitt OA der Figur 4), und wächst dann sehr leicht infolge der Fourcault'«chen Ströme (Linie AB).

Figur 5 zeigt in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit N des Motors, die auf der Abszisse aufgetragen ist:

das notwendige Drehmoment bei dem Antrieb eines üblichen Ventilators, der auf der Welle verkeilt ist (Cu),

das notwendige Drehmoment gemäß der Erfindung infolge der Hysteresekupplung (Ci),

die geforderte Leistung für einen üblichen Ventilator, der auf der Welle befestigt ist (Wu),

die notwendige Leistung (Wi) im Falle der Erfindung und die insgesamt verbrauchte Leistung (Wc). Diese Werte sind -auf der Ordinate aufgetragen.

Es ergibt sich, daß Ci erheblich unterhalb Cu liegt und daß Wi sehr viel niedriger als Wc ist.

Um die Erfindung näher zu erläutern, wird im folgenden ein Anwendungsbeispiel beschrieben:

Betrachtet wird ein genau geprüfter Ventilator, der bei niedrigen Geschwindigkeiten wirksam ist und dessen Kurvencharakteristiken für das Drehmoment C und die Leistung W denen der Figur 5 entsprechen.

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Bei maximaler Geschwindigkeit, d.h. bei 6000 T/min, ist die Leistung Wu, die von dem üblichen, fest auf seiner Welle sitzenden Ventilator verbraucht wird, 3700 W, während das Antriebsdrehmoment bei dieser Geschwindigkeit etwa 5i9 m.N. ist.

Bei der Anordnung gemäß vorliegender Erfindung kann man diesen Ventilator synchron bis zu einer Tourenzahl von 1500 T/min mitnehmen und darüber die Geschwindigkeit so begrenzen, daß sie unterhalb 2000 T/min liegt.

Bei 1500 T/min ist das' Antriebsdrehmoment Co gleich 0,37 m.N., die verbrauchte Leistung Wo beträgt 57 W. Man dimensioniert die Kupplung so, daß das "Abhänge"-Drehmoment Co etwa 0,37 m.N. ist.

Bei der Anordnung gemäß Figur 1 kann dies mittels eines Magnetinduktors 5 aus Bariumferrit mit 8 Magnetpolen geschehen, das die Zusammensetzung BaO, 6 Fe₂O, hat.

Der äußere Durchmesser des Induktors beträgt 72. mm, der innere Durchmesser 30. mm und seine Stärke 10 mm.

Die Gegenplatte 4, die den antreibenden Anker bildet, ist aus Stahl mit einem Zusatz von Kobalt, hat die gleichen Abmessungen und eine Stärke von 2,5 mm; die Zusammensetzung ist folgende:

Kohlenstoff 0,9 #

Kobalt 15 %

Chrom 5 % Rest Eisen

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Der Zwischenraum, der durch Versuche bestimmt wurde, wurde auf 1 mm festgelegt.

Mit dieser Einrichtung wird die Kupplung "blockiert für alle Drehmomente unterhalb 0,37 m.N., d.h. für alle Drehgeschwindigkeiten unterhalb 1500 T/min.

Für höhere Geschwindigkeiten folgt das übertragene Drehmoment Oi der Kurve der Figur 5ί bei 6000 T/min liegt das Drehmoment 0 max. bei 0,53 m.N., was einer Drehgeschwindigkeit des Ventilators von etwa 1800 T/min entspricht (vgl. Fig. 4).

Die von dem Ventilator verbrauchte Leistung Vi max. beträgt

Die verlorene Leistung Wp bei der Kupplung ist:

Vp » 0,53 χ (6000 - 1800) χ T « 233 V.

Die verbrauchte Leistung ist somit:

Vc max. » 333 V, d.h. nur 9 % der Leistung, die der gleiche, fest auf seiner Achse sitzende Ventilator verbrauchen würde.

Zusammenfassend hat die praktische Erfahrung gezeigt, daß diese Art des Ventilatorantriebs die gute Funktionsfähigkeit des Motors vollkommen sicherstellt. '

Beim Betrieb stellt man eine Verringerung der dem Motor entnommenen Leistung fest, die bis zu etwa 3400 V bei maximaler Drehzahl betragen kann, dh. für den betrachteten Motor 6,4- % der Gesamtleistung. Diese wiedergewonnene Leistung ist wohlgemerkt ganz umsonst.

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- ίο -

Der erhaltene Gewinn bezüglich des Geräusches ist ebenfalls beträchtlich, da die Verringerung der Geschwindigkeit von 6000 auf 1800 T/min gleichzeitig die Schalleistung und die ausgesandte Tonfrequenz beeinflußt.

Figur 6 zeigt eine andere AusfUhrungsform der Erfindung, bei der der angetriebene Magnetinduktor 5^a zusammengesetzt ist; er hat eine axiale Magnetisierung, wobei eine Oberfläche der Nord- und die andere der Südpol ist.

Der ringförmige Kern 14 dieses Magneten ist mit zwei PoI-massen 15 und 16 ausgerüstet, die Zähne 17 und 18 haben, die auf der äußeren Oberfläche ineinandergreifen. Wie darge stellt, sind die Zähne abwechselnd Nord- und Südpol.

Das entsprechende Hysteresestück 4a, das den antreibenden Anker bildet, hat daher die Form eines zu dem Magnetinduktor 5a konzentrischen Ringes, und die magnetischen Kräfte werden auf die äußere TJmfangsfläche des Magneten übertragen.

Der Magnet 5a ist drehfest mit der Nabe 7 des Rotors des Ventilators verbunden, während das Teil 4a fest mit der treibenden Welle 1 verbunden ist, da es fest auf einem Rahmen 19 sitzt, der auf einen Ring 20 des Treibrades 3a aufgebracht ist, das auf der Welle 1 verkeilt ist.

Bei einer anderen, auf den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausführungsform ist der angetriebene Magnetinduktor 5b, der mit dem treibenden Teil 4b zusammenarbeitet, kreuzförmig; die Enden des Kreuzes sind abwechselnd Nord- und Südpole.

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Die Arbeitsweise entspricht der der auf Figur 6 dargestellten Ausführungsforrn. Man kann vier prismatische Magnete 19 verwenden, die auf einem zentralen Kern aus Weicheisen befestigt sind, der die Nabe 7b des Hotors des Ventilators bildet.

Die Stellungen des Ankers und des Induktors können auch vertauscht werden, d.h. der Induktor kann der antreibende und der Anker der angetriebene Teil sein.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Belüftungseinrichtung «ur Kühlung einer Wärmekraftmaschine, dadurch gekennzeichnet,
daß sie aus dem angetriebenen Eotor (7, 7a, 7b) eines Ventilators, einer koaxialen Antriebswelle (1), die von dem
su kühlenden Motor engetrieben wird, sowie aus zwei magnetischen Elementen (4, 5) beisteht, die ohne mechanischen
Eontakt miteinander in Verbindung stehen und von denen das eine (4) mit der Antriebswelle (1) und das andere (5) mit
dem angetriebenen Hotor (7) verbunden ist, wobei eines der Elemente einen Induktor (5) und das andere ein induziertes Teil (Anker) (4) bildet, des ein Dauermagnet aus ferromagnetischem Werkstoff ist und der Magnetisierung des Induktors unterliegt, während der Induktor wenigstens zwei komplementäre Pole hat, so daß zwischen dem Hotor.und der Antriebswelle oberhalb eines bestimmten maximalen Drehmomentes eine hysteretische Eutschkupplung vorhanden ist.

2. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der. Induktor (5, 5a, 5b) vielpolig ist.

3. Belüftungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor aus einem Dauermagneten besteht.

4. Belüftungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (4, 4a, 4b) antreibt
und der Induktor (5, 5a, 5b) angetrieben wird.

5. Belüftungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker das angetriebene Element und der Induktor das antreibende Element ist.

Unterlagen m l 114*2 Nr. l Satz ₃ des Änderte, v. 4. 9.1967)

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6. BelüftuDgseinriclitung nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anker (4) und dem Induktor (5) ein kleiner Luftspalt vorhanden ist und daß der Induktor (5) in Umfangsrichtung abwechselnd Nord- und Südpole enthält.

7. Belüftungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (4a, 4b) ein Ring ist, in dem der Induktor (5a, 5b) nit entlang des Umfange abwechselnden Polen gelagert ist·

8. Belüftungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das antreibende Element (4·) des Hystereseantriebes in einem Hohlraum einer Treibscheibe (3) angeordnet ist, während das angetriebene Element (5) in einem Hohlraum des Rotors (7) des Tentilators liegt.

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