DE19741553A1 - Wirbelstromkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Wirbelstromkupplungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind aus der DE 42 07 710 A1 sowie aus der EP 0 317 703 B1 bekannt geworden. Bezüglich des Aufbaus, der Wirkungsweise sowie des Einsatzgebietes derartiger Kupplungen wird auf diese Veröffentlichungen verwiesen. Ihr Inhalt wird hiermit ausdrücklich in Bezug genommen.

Bei der EP 0 317 703 handelt es sich um eine sogenannte Zweistufenkupplung zur Betätigung beispielsweise eines rotierenden Lüfterrades an einem Kraftfahrzeug-Ver­ brennungsmotor. Dabei kann das Lüfterrad mit der Motordrehzahl sowie zwei unterschiedlichen von der Motordrehzahl abhängigen Schleppdrehzahlen angetrieben werden. Zur Herstellung der Motordrehzahl ist eine erste elektromagnetische Reibscheibenkupplung vorgesehen, die das Lüfterrad über einen Ankerkreis und eine Lüfternabe antreibt. Eine niedrigere Schleppdrehzahl wird durch eine zweite elektromagnetische Reibscheibenkupplung über eine Wirbelstromkupplung erzeugt, wobei die erste elektromagnetische Reibscheibenkupplung ausgeschaltet ist.

Werden beide elektromagnetische Kupplungen ausgeschaltet, so wird das Läuferrad der Wirbelstromkupplung über die Antriebswelle und die Kugellagerreibung mit verminderter Schleppdrehzahl bewegt.

In der DE 42 07 710 A1 wird zur Festlegung der Drehzahl für den Fall, daß beide elektromagnetischen Kupplungen abgeschaltet sind, eine weitere zweite Wirbelstromkupplung eingesetzt.

Diese bekannt gewordenen Wirbelstromkupplungen sind im Wesentlichen gleich aufgebaut. Ein kreisringförmiges Erregerbauteil mit Einzelpolen wechselnder magnetischer Polarität ist einer Kupferringscheibe gegenüber gestellt. Ein Drehmoment kann dann übertragen werden, sobald zwischen den Permanentmagneten und der Kupferscheibe eine Relativgeschwindigkeit besteht. Aus magnetischen Gründen weist die Kupferringscheibe noch einen Rückschluß aus einer im wesentlichen deckungsgleichen dahinter angeordneten Eisenscheibe auf. Zur Ausbildung eines möglichst idealen magnetischen Rückschlusses ist eine Eisenscheibe mit einer hohen Permeabilität bevorzugt. Die Kupferscheibe wird zusammen mit der Eisenscheibe beispielsweise durch Schraubverbindungen am Läufer befestigt. Bei einer hohen Differenzdrehzahl zwischen Läufer und Permanentmagneten kann sich bei diesem Aufbau jedoch in nachteiliger Weise die Kupferscheibe so stark erhitzen, daß sie sich aufwölbt und gegebenenfalls ausgetauscht werden muß. Weiterhin hat der Einsatz eines Kupferrings auf Grund der vergleichsweise hohen Materialkosten hohe Herstellungskosten zur Folge, wobei sich dieser Kostennachteil bei einem notwendigen Austausch des Bauteils nochmals auswirkt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wirbelstromkupplung bereit zustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik einen robusteren Aufbau besitzt und kostengünstiger herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wirbelstromkupplung angegeben.

Die Erfindung geht von einer Wirbelstromkupplung, vorzugsweise für den Einsatz in einer elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplung zur Übertragung eines Antriebsmoments (Schleppmoments), insbesondere für ein Lüfterrad eines Ventilators oder dergleichen aus. Die Wirbelstromkupplung umfaßt ein Erregerbauteil und einen dem Erregerbauteil gegenüberliegend angeordneten elektrisch leitfähigen Läufer. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, daß der dem Erregerbauteil gegenüberliegende Bereich des Läufers wenigstens teilweise ein oder mehrere Einlagen aus Eisenwerkstoff aufweist, die in den Läuferwerkstoff eingegossen sind. Auf diese Weise entfällt zunächst die im Stand der Technik eingesetzte Kupferscheibe vollständig und wird durch das elektrisch leitfähige Läufermaterial ersetzt, das die Einlagen aus Eisenwerkstoff, die im Stand der Technik zusammen mit der Kupferscheibe aufgeschraubt sind, umschließt. Diese Vorgehensweise bringt eine ganze Reihe weiterer Vorteile mit sich. An erster Stelle sind deutlich geringere Herstellungskosten zu nennen. Denn das bisher verwendete Kupfer ist teurer als das nunmehr zur Anwendung kommende Läufermaterial, regelmäßig Aluminiumdruckguß. Im Stand der Technik ergab sich beim Einsatz von Kupferringscheiben zusätzlich die Problematik, daß der Innenbereich der Ringscheibe bei der Herstellung regelmäßig als Abfall entfällt. Außerdem kann auf die seither verwendeten Schraubverbindungen verzichtet werden, da die Einlagen aus Eisenwerkstoff vom Läufermaterial umgossen werden. Hierdurch erreicht man zusätzlich eine verbesserte Kühlung der über dem Eisenwerkstoff liegenden Schicht aus leitfähigem Läufermaterial bei der Ableitung von Verlustleistung. Denn zwischen den einzelnen Material schichten bildet sich kein isolierender Luftspalt aus, so wie es bei aufgeschraubten Scheiben zwangsläufig immer der Fall ist. Vielmehr entsteht ein äußerst kompakter mechanischer Aufbau, der auch bei großer Erwärmung (hohe abzuführende Verlustleistung) formstabil bleibt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Einlage bzw. sind die Einlagen aus Eisenwerkstoff als durchgehender Kreisring ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich ein vergleichsweise einfaches Herstellungsverfahren, bei dem die Scheibe fixiert und dann mit Läufermaterial umgossen wird. Als Eisenwerkstoff für den Kreisring kann in einer kostengünstigen Ausführungsform herkömmlicher Stahl eingesetzt werden.

Im weiteren ist es bevorzugt, wenn mit Ausnahme der Einlage bzw. Einlagen der Läufer vollständig aus Aluminiumdruckguß besteht. Aluminium weist zwar einen etwas höheren spezifischen Widerstand als Kupfer auf, so daß der Wirbelstromeffekt bei gleicher Dimensionierung geringer ist, jedoch wiegen die Vorteile der wesentlich rationelleren und billigeren Herstellung diesen Nachteil deutlich auf. Denn bei der erfindungsgemäßen Herstellung entfallen neben den bereits genannten Vorzügen beispielsweise Bohrungen, um den Kupferring mit Schraubenverbindungen zu befestigen und die Zeit, die notwendig ist, um diesen schließlich aufzuschrauben. Darüber hinaus hat Aluminium den Vorteil, daß geringere Trägheitskräfte vorhanden sind, was letzten Endes geringere Kräfte auf die Antriebseinheiten mit dem Ergebnis zur Folge hat, daß die Lebensdauer der Baugruppen sich erhöht.

Schließlich ist es vorteilhaft das Erregerbauteil aus Permanentmagneten auszubilden. Mit Permanentmagneten ist ein vergleichsweise einfacher und damit kostengünstiger Aufbau möglich. Es können im Einzelfall auch Elektromagneten mit Spulen Verwendung finden.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert. Die zugehörige Figur zeigt eine in Seitenansicht dargestellte elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung mit einer erfindungsgemäßen Wirbelstromkupplung im Längsschnitt, wobei lediglich die oberhalb der Symmetrielinie angeordnete Kupplungshälfte zu sehen ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Wirkungsweise einer Wirbelstromkupplung im Aufbau einer elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplung zum Antrieb eines Lüfterrads eines Ventilators ist in der eingangs erwähnten EP 0 317 703 ausführlich beschrieben. Auf diese Veröffentlichung wird ausdrücklich Bezug genommen. Die elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung 1 zum Antrieb eines Lüfterrades 2 eines Ventilators 3 von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren besteht aus einer ersten elektromagnetischen Reibscheibenkupplung 4 zur direkten Übertragung der auf der Antriebswelle 5 übertragenen Motordrehzahl auf den Lüfterflügel 2. Eine zweite elektromagnetische Reibscheibenkupplung 6 überträgt die Motordrehzahl der Antriebswelle 5 auf eine erfindungsgemäße Schleppdrehzahl des Lüfterrades 2. Die radial übereinanderliegenden erste und zweite Reibscheibenkupplungen 4, 6 weisen einen gemeinsamen umlaufenden Rotor 8 auf. Die beiden Erregerwicklungen 10, 11 sind von einem gemeinsamen ortsfesten Stator 12 umgeben. Die Stromanschlüsse sind mit 13 und 14 bezeichnet.

Die Anordnung sieht weiterhin ein spezielles einstückiges Stufenkugellager 19 vor, wie es ebenfalls in der EP 0 317 703 beschrieben ist. Dieses besteht aus einem Innenring 20, einem radial innen liegenden Kugellager 21 sowie einem Zwischenring 22, der als Außenring für das innere Kugellager 21 und als Innenring für das äußere Kugellager 23 dient. Das Stufenkugellager 19 wird außen durch einen Außenring 24 begrenzt, auf den eine Lüfterradnabe 17 umläuft.

Der Zwischenring 22 des speziellen Stufenkugellagers 19 ist gleichzeitig als Antriebsflansch 22 zum Antrieb der Wirbelstromkupplung 7 ausgebildet. Ein Ankerring 18 der zweiten elektromagnetischen Reibscheibenkupplung 6 ist über eine Schraubverbindung 25 am Zwischenring 22 des Stufenkugellagers 19 befestigt. Auf der gegenüberliegenden, vorderen Seite des Zwischenrings ist mittels einer weiteren Schraubverbindung 26 der Anschlußflansch eines elektrisch leitfähigen Läufers 28 der Wirbelstromkupplung 7 befestigt. Der Läufer 28 trägt zur zusätzlichen Kühlung der Wirbelstromkupplung radial ausgerichtete Flügel 29. Im radial äußeren Bereich des Läufers ist eine Eisenringscheibe 30 in den aus Druckgußaluminium bestehenden Läufern 28 eingegossen. Gegenüberliegend der Ringscheibe 30 ist in der Lüfterradnabe 17 eine parallel angeordnete entsprechende Eisenringscheibe 31 vorgesehen. Vor dieser Eisenringscheibe 31 sind eine Vielzahl von Permanentmagneten 32 der Wirbelstromkupplung 7 mit wechselnder Polarität angeordnet. Zwischen den Permanentmagneten 32 und der leitenden Oberfläche des Läufers 28 besteht ein Luftspalt s.

Der Läufer 28 wird über die Kugellagerreibung des Stufenkugellagers 19 oder bei eingeschalteter Reibscheibenkupplung 6 über den Rotor 8, den am Rotor 8 anliegenden Ankerring 18 und den Zwischenring 22 angetrieben.

Besteht zwischen der Lüfternabe 17 und dem Läufer 28 eine Relativgeschwindigkeit, induzieren die Permanentmagnete 32 im gegenüberliegenden leitenden Bereich des Läufers 28 Wirbelströme, die immer so gerichtet sind, daß deren magnetisches Feld der sie hervorrufenden Ursache entgegenwirkt. Um einen Rückschluß des magnetischen Feldes zu gewährleisten, sind im Läufer 28 sowie in der Lüfternabe 17 die Eisenringscheiben 30 und 31 angeordnet. Auf Grund der eingegossenen Eisenringscheibe 30 im Läufer 28 ist der Aufbau derart kompakt, daß die von den Wirbelströmen verursachte Verlustleistung in Form von Wärme in ausreichender Weise an die Kühlflügel 29 abfließen kann. Damit wird eine Überhitzung des Läufers auch bei großen Relativgeschwindigkeiten zwischen Läufer und Lüfternabe 17 vermieden. Außerdem wird durch die eingegossene Eisenringscheibe auch bei hohen Temperaturen eine ausreichende Formstabilität des Läufers gewährleistet, wodurch der Luftspalt s im Wesentlichen bei jeder Betriebsweise eingehalten werden kann.

Als Eisenringscheibe wird vorzugsweise ein Weicheisenwerkstoff oder gegebenenfalls auch eine Stahlscheibe verwendet, wobei der Weicheisenwerkstoff einen möglichst geringen Kohlenstoffgehalt von vorzugsweise ≦ 0,05% Kohlenstoff aufweisen sollte.

Claims (5)

1. Wirbelstromkupplung, vorzugsweise für den Einsatz in einer elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplung zur Übertragung eines Antriebsmoments (Schleppmoments) auf insbesondere ein Lüfterrad eines Ventilators oder dergleichen, die ein Erregerbauteil (32) und einen dem Erregerbauteil gegenüberliegend angeordneten elektrisch leitfähigen Läufer (28) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Erregerbauteil gegenüberliegende Bereich des Läufers (28) wenigstens teilweise ein oder mehrere Einlagen (30) aus Eisenwerkstoff aufweist, die im Läuferwerkstoff eingegossen sind.

2. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage bzw. Einlagen aus Eisenwerkstoff als durchgehender Kreisring (30) ausgebildet sind.

3. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Eisenwerkstoff ein Weicheisenwerkstoff oder Stahl verwendet wird, wobei vorzugsweise der Weicheisenwerkstoff einen möglichst geringen Kohlenstoffgehalt von ≦ 0,05% Kohlenstoff aufweist.

4. Wirbelstromkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer mit Ausnahme der Einlage bzw. Einlagen aus Aluminiumdruckguß besteht.

5. Wirbelstromkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregerbauteil mehrere kreisringförmig angeordnete Permanentmagnete umfaßt.