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Beschreibung Schleifringlose, elektromagnetisch betätigte Kleinstkupplung
Die Erfindung bezieht sich auf elektromagnetisch betätigte Kupplungen bzw. Bremsen
und betrifft eine schleifringlose Eleinstkupplung. Derartige Kleinstkupplungen,
welche zur Übertragung von Drehmomenten von beispielsweise 0,1 bis 10 cmkg dienen
können, lassen sieh vor allen Dingen bei Rechenmaschinen, Zählwerken oder dergleichen
Einrichtungen verwenden, bei denen die benötigten Drehmomente die oben angegebene
Größe im allgemeinen nicht überschreiten und neben kleinster Bauweise sehr kurze
Schaltzeiten erforderlich sind. Da es sich bei derartigen Kleinstkupplungen um Massenartikel
handelt, ist ein weiteres Erfordernis, daß sich diese Kupplungen bzw. Bremsen in
einfacher Weise und billig herstellen lassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetisch
betätigte, schleifringlose Kleinstkupplung zu schaffen, welche einfach und billig
herzustellen ist und neben einfacher Bauweise eine ausgezeichnet Schalthäufigkeit
und Zuverlässigkeit über lange Betriebszeiten gewährleistet.
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An sich sind schleifringlose, elektromagnetisch betätigte Kupplungen
bekannt. Bei einer bekannten Kupplung ist die Spule in einem im Querschnitt U-förmigen,
nach innen offenen Magnetgehäuse angeordnet, welches das Lamellenpaket von außen
umgibt und das von außen festgehalten wird. Das Widerlager für das Lamellenpaket
welches mit der einen Welle fest verbunden ist, bildet den einen Polschuh und der
Anker, welcher mit der Andruckplatte des Lamellenpakets fest verbunden ist, den
anderen Polschuh des Magnetsystems. Diese bekannte Anordnung ist für Kleinstkupplungen
nicht geeignete da sie einen großen radialen Raumbedarf hat und außerdem einen für
einen Massenartikel zu komplizierten Aufbau besitzt. Eine andere bekannte, elektromagnetisch
betätigbare Kupplung mit von außen fest unterstütztem Magnetgehäuse weist eine in
zwei Ringspulen unterteilte Wicklung auf, welche im axialen Abstand in einem Nagnetgehänse-Topf
angeordnet sind, dessen Stirnwand zugleich die Lager für die miteinander zu kuppelnden
Wellen trägt. Zwischen den beiden Ringspulen sind die
Kupplungsscheiben
angeordnet, wobei diese Scheiben direkt auf den Wellenenden drehfest angeordnet
sind und eine der beiden Scheiben gegenüber der zugehörigen Welle axial bewegbar
ist. Auch diese bekannte Kupplung dient zur Übertragung relativ großer Drehmomente.
Bei einer Abwandlung der beschriebenen Kupplung ist sogar vorgeschlagen worden,
den mittleren Teil des topfförmigen Gehäuses radial zu erweitern um Scheiben verwenden
zu können, deren Durchmesser den Durchmesser der Ringspulen wesentlich übersteigt.
Für die Verwendung als Kleinstkupplung eignet sich diese bekannte Kupplung ebenfalls
nicht.
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Die Erfindung geht von einer elektromagnetisch betätigten Kleinstkupplung
aus, bei der, wie bei den bekannten Kupplungen, das Magnetgehäuse feststeht und
eine Ringspule unterstützt. Das Neue wird darin gesehen, daß die Spule von zwei,
bezogen auf eine radiale Ebene, symmetrisch ausgebildeten ringförmigen Gehäuseschalen
eingeschlossen ist, welche zusammen das Magnetgehäuse bilden und eine zentrale zylindrische
Führung aufweisen. In diese zylindrische Führung ragen mit möglichst geringem Spiel
zylindrisch ausgebildete Teile aus magnetisierbarem Material, von denen wenigstens
einer als Anker des Magnetsystems dient. Die zylindrischen Teile sind, wie an sich
bekannt, mit den miteinander zu kuppelnden Bauelementen drehmomentmäßig verbunden
und können zur Übertragung des Drehmoments mit
ihren Stirnflächen
zusammenwirken. Dabei ist wenigstens der als Anker dienende Teil gegenüber der-mit
ihtä verbundenen Welle in axialer Richtung verschiebbar angeordnet. Die erfindungsgemaß
ausgebildete Kleinstkupplung besteht aus nur wenigen Teilen, die sich auf einfache
Weise herstellen lassen. So sind die beiden Gehäuseschalen, welche jeweils eine
Spule umgeben, gleich ausgebildet, so daß
| für ihre Herstellung der gleiche Arbeitsgang und das |
| gleiche Werkzeug verwendet werden können. |
| Da der Magnetfluß zur Erzeugung der Drehmomente von |
| 091 bis 10 cmkg relativ gering ist, lassen sich die Scha- |
len aus einem Material herstellen, welches ein Formen der Schalen durch fressen,
Tiefziehen oder dergleichen Formungsverfahren gestattet.
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Zum Zusammenbau der beiden das Magnetgehäuse bildenden Gehäuseschalen
kann eine zentrale, dünnwandige Hülse, Buchse oder Hohlniet aus nichtmagnetischem
Material vorgesehen sein. welche in das Innere des Magnetgehäuses paßt und an ihren
Rändern derart umgebörtelt ist, daß die beiden Gehäuseschalen durch die Hülse zusammengehalten
werden.
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Für den Fall, daß nur eine Spule vorgesehen ist können die beiden
miteinander zusammenwirkenden zylindrischen Teile ebenfalls identisch ausgebildet
sein. Sie können beispielsweise jeweils aus einem hohlzylindrischen Teil bzw. Hülse
aus magnetisierbarem Material bestehen, die
zur drehmomentmäßigen
Verbindung mit der zugehörigen Welle einen Kern aus nichtmagnetischem Material aufweisen
kann. Dieser Kern kann beispielsweise aus Messing oder, dergleichen nichtmagnetischem
Metall oder aber auch aus einem Kunststoffmaterial bestehen. In diesem Fall wirken
bei Betätigung der Kupplung ledig-
| lich die ringförmigen Stirnflächen, die den Kern zwecks- |
mäßigerweise ein wenig überragen, zur Übertragung des Drehmoments zusammen. Um eine
schnelle Abnützung dieser ringförmigen Stirnflächen zu verhindern, kann es vorteilhaft
seiner wenn man diese Stirnflächen härtet.
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In einigen Fällen kann es auch erforderlich sein, die Kleinstkupplung
mit zwei Ringspulen zu versehen, welche axial nebeneinanderliegend unabhängig voneinander
wahlweise eingeschaltet werden können, um die Drehrichtung der anzutreibenden Welle
umzukehren, oder die Welle nach Lösen der Kupplung abzubremsen, um sie möglichst
schnell in die Ruhestellung zu bringen. In diesem Fall einer KledLnstkupplung gemäß
der Erfindung mit wenigstens zwei Spulen ist ebenfalls jede Spule von zwei Gehäuseschalen
umgeben und alle vier Gehäuseschalen der Kupplung können durch eine zentrale hohlzylindrische
Niete bzw. Hülse zusammengehalten werden. Es dienen also als Magnetgehäuse vier
oder mehr gleich ausgebildete Gehäuseschalen. Der Anker kann aus einem hohlzylindrischen
Teil bestehen, welcher auf der anzutreibenden Welle axial verschiebbar angeordnet,
aber
mit dieser drehmomentmäßig verbunden ist.
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Vorteilhafterweise ist die Kupplung bzw. Bremse gemäß der Erfindung
in einem Gehäuse angeordnet, mit dem es eine einbaufertige Einheit bildet. Eine
sache Anordnung hat den Vorteil, daß das den Magnetkreis umgebende Gehäuse zugleich
als Träger der Lager für die miteinander zu kuppelnden Teile dienen kann. Es hat
sich nämlich für die sichere Betriebsweise der erfindungsgemäßen Kupplung als vorteilhaft
erwiesen, wenn der Anker genau zentrisch in der die Gehäuseschalen zusammenhaltenden
Hülse so geführt ist, daß zwischen der Hülse und dem Anker ein sehr kleiner radialer
Abstand besteht. Dieser Abstand ist zweckmäßige da die mit der Kleinstkupplung gemäß
der Erfindung zu kuppelnden Teile im allgemeinen eine sehr hohe Drehzahl aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Kupplung läßt sich nicht nur in sehr einfacher,
betriebssicherer Weise herstellen, vielmehr weist. sie auch trotz des sehr einfachen
Aufbaus und des geringen Aufwands an technischen Mitteln, sehr kurze Schaltzeiten
bis herunter zu etwa 10 msec. auf.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Skizzen an
mehreren Ausführungsbeispielen näher erläuterte Fig. 1 zeigt eine Kleinstkupplung
gemäß der Erfindung im Längsschnitt.
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Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Kupplung gemäß
der Erfindung, ebenfalls im Längsschnitt, bei welcher statt einer zwei Wicklungen
vorgesehen sind.
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Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Kupplung, welche zusammen mit
einem Gehäuse eine Einbaueinheit bildet.
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Die in Fig. 1 dargestelle Kleinstkupplung gemäß der Erfindung weist
eine ringförmige Wicklung 1 auf, welche über Zuführungsleitungen 2 an ein Betätigungsnetz
angeschaltet werden kann. Die ringförmige Wicklung ist von einem magnetischen Gehäuse
3 eingeschlossen, welches aus zwei gleichen, symmetrisch zueinander angeordneten
Gehäusehälften 4 und 5 besteht. Die Gehäusehälften weisen, wie in der oberen Hälfte
der Figur 1 zu erkennen ist, Ausbuchtungen 6 auf, welche zur Zuführung der Leitungen
2 dienen. Zu dem gleichen Zweck weisen die Gehäusehälften an ihren Rändern im Bereich
der Ausbuchtungen 6 Eindrückungen 7 auf, in welche beispielsweise ein Zuleitungsrohr
8 aus Metall, Kunststoff oder Gummi eingesetzt werden kann, durch welches die Zuleitungen
2 geführt sind. Statt der Eindrückungen 7 können auch lediglich Ausnehmungen am
Rand der r Gehäusehälften vorgesehen sein, welche im zusammengebauten Zustand eine
Durchtrittsöffnung für die Zuleitungen 2 bilden.
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Die beiden Gehäusehälften 4 und 5 können nach Einbau der Spule in
beliebiger Weise miteinander verbunden werden.
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Zu diesem Zweck können die beiden Ränder 9 der Gehäusesein hälfteflanschartig
ausgebildet,-und einen Börtelrand, Ausklinkungen oder dergleichen Befestigungsmittel
aufweisen. Vorzugsweise wird der Zusammenhalt zwischen den beiden Gehäusehälften
jedoch durch eine zylindrische Hülse 10 aus nichtmagnetischem Material sichergestellt,
welche in die zentralen Bohrungen der beiden Gehäusehälften eingeschoben wird und
mit ihren Kanten, wie bei 11 angedeutet, über die Stirnseiten der Gehäusehälften
mittels eines Börtelrandes greifte Durch diese Hülse werden die beiden Gehäusehälften
fest gegeneinander gedruckt und in ihrer gegenseitigen Lage gehalten, so daß sie
ein praktisch starres Magnetgehäuse 3 für die Spule 1 bilden.
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Das Nagnetgehäuse bildet einen radialen, nach innen offenen Magnetkreis.
Zur Vervollständigung dieses Magnetkreises auf der Innenseite der Spule dienen in
dem dargestellten Beispiel zwei in axialer Richtung gegeneinander bewegbare Hülsen
12 und 13 aus magnetisierbarem Material.
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Die aufeinanderzuweisenden Stirnflächen der beiden hülsenformigen.
Körper sind genau plan gearbeitet, so daß sieh die beiden Hülsen dann, wenn sie
gegeneinander bewegt werden an ihren Stirnflächen 14 und 15 innig berühren können.
Die axiale Bewegung dieser beiden Teile aufeinanderzu wird durch den von der Spule
1 erzeugten Magnetfluß bewirkt, welche in den beiden hülsenformigen Teilen eine
gegenseitige Anzugkraft erzeugt.
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Jeder der beiden hülsenförmigen Körper ist über einen Kern 16 bzw.
17, der eine zentrale Bohrung 18 aufweist, mit einem der beiden miteinander zu kuppelnden
Tei. le {nicht dargestellt) drehmomentmäßig verbunden, indem beispielsweise die
zu kuppelnde Welle in die Bohrung 18 hineinragt und durch bekannte Mittel mit dem
Kern 16 so verbunden ist, daß eie mit der zugehörigen Hülse nur gemeinsam verdreht
werden kann. Es genügt an sich, wenn nur einer der beiden hülsenformigen Teile 12
bzw. 13 gegenüber dem feststehenden Magnetgehäuse axial verschiebbar ist ; vorzugsweise
sind jedoch beide Teile axial verschiebbar, um dadurch die mechanischen in axialer
Richtung wirkenden Kupplungskräfte von den Wellen fernzuhalten.
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Die miteinander zusammenwirkenden Stirnflächen 14 und 15 der hülsenformigen
Teile 12 und 13 können, wie erwähnt, gehärtet sein, um eine Abnutzung dieser Stirnflächen
herabzumindern. Die Kerne 16 und 17 können aus Metall, vorzugsweise einem nichtmagnetischen
Metall oder auch aus einem Kunststoff von entsprechender Festigkeit hergestellt
sein.
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Die beiden hülsenformigen Körper 12 und 13 können über die mit ihnen
drehmomentmäßig verbundenen Welle gelagert sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
die Hülsen mittels entsprechender Lagerstellen (aufgespritzt Lagerflächen) direkt
in der Hülse 10 zu führen.
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In den meisten Fällen wird man jedoch wegen der sehr hohen Umlaufgeschwindigkeiten
eine Führung der Hülsen durch die Wellen vorziehen.
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In Figur 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Kupplung gemäß
der Erfindung dargestellt. Bei dieser Kupplung sind zwei Ringspulen 20 und 21 vorgesehen,
welche axial nebeneinander angeordnet sind und jeweils von einem Magnetgehäuse 22
bzw. 23 umschlossen sind. Jedes der Magnetgehäuse 22 und 23 besteht wiederum aus
zwei gleichen, symmetrisch zusammengesetzten Gehäuseschalen, welche in dem vorliegenden
Beispiel die Spule bis auf einen Spalt auch auf der Innenseite der Spule umschließen.
Entsprechend Ausnehmungen 24 an einer Stelle der Gehäuseschalen dienen zum Herausführen
der durch ein Rohr 25 geführt ten Zuleitungen 26 und 27.
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Wie die Figur zeigt, sind alle vier Gehäuseschalen durch eine gemeinsame
zentrale Hülse oder Hohlniet 28. zusammengeklemmt, welche-an ihren Enden um die
Stirnseite der außenliegEnden Gehäusehälften herumgebörtelt ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind die beiden Spulen 20
und 21 unabhängig voneinander wahlweise einschaltbar, so daß einmal in dem Magnetgehäuse
23 und zum anderen in dem Magnetgehäuse 22 ein Magnetfluß entsteht.
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Diese Magnetflüsse kommen auf einen, den beiden Magen-Systemen gemeinsam
zugeordneten Anker 30 zur Wirkung, welcher ähnlich den Ankerteilen der Kupplung
gemäß Fig. 1 ausgebildet ist. Die Kleinstkupplung, wie sie in Fig. 2 dargestellt
ist, kann vorzugsweise, wie weiter unten erläutert wird, in einem die ganze Kupplung
umschließenden Gehäuse angeordnet sein und zusammen mit diesem Gehäuse eine vorgefertigte
Einbaueinheit bilden.
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Da die mit den Xleinstkupplungen zu Übertragenden Drehmomente sich
in der Größenordnung von 0. 1 bis 10 cmkg bewegen, sind die für die Erzeugung dieser
Kupplungskraft erforderlichen Magnetflusse relativ gering. Es genügt deshalb, für
die Magnetgehäuse ein relativ dünnwandiges Material zu nehmen, Diese Tatsache hat
zusammen mit der erfindunggemäßen Ausbildung der Magnetgehäuse aus zwei gleichen
Hälften den Vorteil, daß man diese Gehäusehälften durch Tiefziehen, Pressen oder
dergleichen Verformungsverfahren aus Blech sehr einfach und billig herstellen kann.
Hierdurch ergibt sich der weitere Vorteil, daß die auf diese Weise geformten Gehäusehälften
den Magnetfluß praktisch ohne Verluste ringförmig um die Spule leiten können, da
durst
| die Verformung erreicht worden kann, da3 praktisch an allen |
| Stellen des Magnetgehäuses die Kristallorientierung des |
| Gehäusematerials der magnetischen Vorzugsrichtung entspricht. |
| Gegenüber den bekannten Magneten hat die Kleinstkupplung ge- |
mäß der Erfindung also neben einem sehr einfachen Aufbau noch
den Vorteil einer sehr guten Ausnützung des von der Wicklung erzeugten elektromagnetischen
Feldes.
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In Fig. 3 ist eine ähnliche Kleinstkupplung, wie sie in Fig. 2 dargestellt
ist, in einem mit dieser Kupplung eine Einbaueinheit bildenden Gehäuse dargestellt.
Die beiden Magnetsysteme 35 und 36, welche wiederum axial nebeneinander liegen und
in der gleichen Weise aufgebaut sind wie die Magnetsysteme der Kupplung gemäß Fig.
2 sind von einem Gehäuse 37, welches in dem dargestellten Beispiel aus einem magnetisierbarem
Material besteht, umschlossen. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse 37 topfartig ausgebildet.
An seinem offenen Ende ist das topfartige Gehäuse mittels eines ringförmigen Teils
38 verschlossen, welcher zugleich zum Sichern der Lage der Kupplung in dem Gehäuse
und zum Zusammenpressen der die Magnetgehäuse bildenden Gehäusehälften dient. Eine
Hohlniet, wie sie bei den Kupplungen gemäß Fig. 1 und 2 zu diesem Zweck verwendet
ist, ist bei dieser Anordnung gemäß Fig. 3 nicht erforderlich.
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Vorteilhafterweise ist das Gehäuse 37 in der Weise ausgebildet, daß
es zugleich zur Unterstützung von Lagern 38, 40 für die miteinander zu kuppelnden
hellen dient. In dem dargestellten Beispiel weist das Gehäuse 37 zu diesem Zweck
an seinem Bodenteil eine Nabe 41 auf. in welcher ein Nadellager 40 unterstützt ist.
Dieses Nadellager dient
| zur Lagerung der anzutreibenden Welle 42. Weiterhin |
| dient der Ring 38 zur Unterstützung eines Wälzlagers 39 |
| mittels dem eine Hohlwelle 43, welche die Welle 42 kon- |
| zentrisch umgibt gelagert ist. Die Hohlwelle 43 trägt |
| an ihrem Ende eine Hülse 44-, welehe mit dem Anker 45 u- |
| sammenwirken kann, um die Hohlwelle 43 mit der Welle 42 |
| zu kuppeln., sobald durch Einschalten der Spule 56 |
| der Anker 45, welcher mit der 42 drehmomelitraußig |
| verbunden ist, egen die Enlse 44 gepreßt wird. Die |
| Funktionsweise dirr Kupplung ist genau die gleiche wie |
| die der Kupplungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2. |
| Die zweite Spule 35 dient im vorliegenden Beispiel |
| zum Abbremsen der Welle 42. Zu diesem Zweck weist das |
| Gehäuse 37 einen zylinJerförmigen konzentrischen Ansatz |
| 47 auf, welcher in das die Spule 35, umgebenee gggnetgelifluse |
| ragt. Die Stirnseite des Ansatzes 47 kann mit der anderen |
| Stirnfläche des Ankers 45 zusammenwirken, sobald der Anker |
| bei Einschalten der Spule 35 in Richtung auf diesen Ansatz |
| 47bewegt'wird.. Es it ohne weiteres ersichtliche dß |
| anstelle des Ansatzes 47 eine zweite Hohlwelle in das |
| Magnetgehäse der Spule. 5 ragen kann, um über den Anker |
| 45 eine Umkehrung der Drehrichtung der 42 z » u erhel-ten. |
| Durch die doppelte Funktion des Gehäuses 37 als |
| Aufnahme für die Kupplung und als Träger der Lager für die |
| miteinander zu kuppelnden Teile läßt sich auf einfachste Wer- |
| se eine sehr genau gegenseitige Lage der miteinander zu- |
| sammerwi. rkenden Teileherstellen und aufrechterhalten. So |
ist es durch die erfindungsgemäße Anordnung möglich, den Anker 45 mit einem nur
sehr geringen radialen Spiel mittels der Lagerung der Welle 42 in dem Magnetsystem
zu führen, so daß trotz der sehr großen Umdrehungszahlen Abnutzungserscheinungen
praktisch nicht auftreten.
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Das In Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der mit einem Gehäuse
als Baueinheit zusammengebauten Kleinst-Kupplung gemäß der Erfindung kann beispielsweise
mit Vorteil bei Textilmaschinen angewendet werden, um dort zum Antrieb für die Garnspulen,
beispielsweise von Spinn-
| maschinen, zu dienen. |
| Die erfindungsgemäße Sieinstkupplung hat sieh im prak- |
| - i- |
tischen Betrieb als sehr zuverlässig und brauchbar erwiesen, sowohl hinsichtlich
der zu übertragenden Kräfte, der störungsfreiheit bei lang anhaltendem Betrieb,
als auch bezüglich der Schaltzeiten, die in der Größenordnung von 10 msec. liegen
können. Schutzansprüche