DE2428611A1

DE2428611A1 - Fluessigkeitsgekuehlter wirbelstromapparat

Info

Publication number: DE2428611A1
Application number: DE2428611A
Authority: DE
Inventors: Ralph Louis Jaeschke
Original assignee: REDMAN HEENAN FROUDE Ltd
Current assignee: REDMAN HEENAN FROUDE Ltd
Priority date: 1973-06-13
Filing date: 1974-06-14
Publication date: 1975-01-09
Also published as: BR7404991D0; CA1009054A; FR2233743A1; IT1013834B; JPS5028885A; GB1472571A; US3863083A

Description

Dipl. Phys. Dr. rer. nat. Wolfgang Kempe

PATENTANWALT

D-68OO Mannheim 1 ο β, 10

Poetfach 1273

Fernsprecher (OS21) 381-47

10. Juni 1974 Mc 9

Redman Heenan Froude Ltd.

Shrub Hill Road
Worcester, WR4 9 EQ, Worcestershire

"Flüssigkeitsgekühlter Wirbelstromapparatⁿ

Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkei-tsgekühlten Wirbelstromapparat / insbesondere Dynamometer, mit einem Stator und einem in diesem drehbar gelagerten, auf einer Welle befestigten Rotor, der zusammen mit dem Stator und einem ringförmig dazwischenliegenden Abstandsspalt einen von einer Feldspule umfaßten Magnetflußkreis bildet.

Bei den bekannten Wirbelstromapparaten dieser Art wird die Kühlab flüssigkeit dazu benutzt, diejenige Wärme/zu"führen, die durch

die Wirbelströme in dem Apparat erzeugt wird. Diese Wirbelströme

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werden in einzigem Abstand radial außerhalb des Luftspaltes in dem umschließenden Gehäuse erzeugt. Die Eindringtiefe des Wirbelstromes ändert sich umgekehrt proportional zur Umlaufgeschwindigkeit des Rotors, somit ändert sich die Tiefe der durch den Wirbelstrom erhitzten Zone ebenfalls umgekehrt proportional mit der Drehgeschwindigkeit, und deshalb ist es notwendig, wenn man die Gehäusetemperatur senken will, diese thermische Energie zu absorbieren.

Es wurde bereits vorgeschlagen, zum Kühlen des Gehäuses eines Dynamometers Kühlkanäle in einem Ring vorzusehen, der in das Gehäuse eingeschweißt ist. Dieser Ring bestand aus einem Werkstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand vonjungefähr 11 p-Äcm und war derart im Inneren des Gehäuses angeordnet, daß seine Außenfläche zum Gehäuse und seine Innenfläche zu dem Rotor zeigte, der innerhalb des Ringes drehbar montiert war. Eine Feldspule war in einer kreisringförmigen Kammer untergebracht, die in dem Raum zwischen dem Gehäuse und dem Ring gebildet war. Die zum Gehäuse weisende Außenseite des angeschweißten Ringes war mit Rillen versehen, damit für die Kühlflüssigkeit eine vergrößerte Oberfläche zur Verfügung stand. Die Kühlflüssigkeit trat zuerst in den Raum zwischen dem Gehäuse und dem mit Rillen versehenen Ring und floß dann in die ringförmige Kammer, die die Feldspule enthielt. Von dieser Kammer aus strömte die Flüssigkeit zur Rotorseite des Ringes, wo sie zentrifugal entlang des Luftspaltes durch die Rotationsbewegung des Rotors verteilt»wurde.

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Es ist leicht einzusehen, daß die oben beschriebene Konstruktion mit dem innen angeschweißten Ring und der separat befestigten Feldspule kostspielig und schwer zusammenzubauen ist. Darüberhinaus ist ein derartiger Apparat unhandlich und benötigt viel Platz, da zwischen dem Ring und dem Gehäuse ein Abstand gehalten werden muß.

Bei einer anderen Anordnung für einen flüssigkeitsgekühlten Wirbelstromapparat besitzt das Gehäuse einen ringförmigen inneren Vorsprung, an dem die Feldspule befestigt ist. Der Rotor ist vom Gehäuse durch eine Trommelanordnung getrennt. Die Kühlflüssigkeit tritt an einem Ende des Gehäuses ein und fließt zu dem Raum zwischen der Trommel und dem Rotor durch eine Reihe von Durchgangskanälen. Danach verläßt sie das Gehäuse auf der anderen Seite. Auch eine derartige Anordnung ist teuer und schwer zusammenzubauen. Die Durchgangskanäle erfordern ebenfalls zusätzlichen Raum, der den Apparat unhandlich und voluminös macht.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelstromapparat der eingangs beschriebenen Art zu entwerfen, der bei mindestens gleicher Kühlleistung einfacher in seinem Aufbau ist und damit billiger herzustellen und leichter zusammenzubauen ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stator als Gehäuse ausgebildet ist, das den Rotor trägt und Ein- und Austrittsöffnungen für die Kühlflüssigkeit und Teile aufweist, die unter Einschluß des Abstandsspaltes eine Bahn für die Kühlflüssigkeit bilden.

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Aufgrund der Tatsache, daß der Stator und das Gehäuse des Wirbelstramapparates ein einheitliches Bauteil miteinander bilden, werden die Nachteile der bekannten Apparate, nämlich kostspielige und komplizierte Herstellung und Zusammenbau, vermieden und eine wirkungsvolle Kühlung des Apparates erreicht.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Teile ringförmige Umfangsnuten im Stator und axiale Durchgänge enthalten, die die Umfangsnuten mit einer Saitmelleitung an mindestens einem Endstück des Stators verbinden.

Zu einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gelangt man gemäß einem weiteren Vorschlag dadurch, daß der Rotor auf seinem Umfang verteilt angeordnete Polzähne aufweist und daß die Feldspule in einer flüssigkeitsgekühlten Kammer des Stators liegt. Ferner wird vorgeschlagen, daß die Kammer ringförmig gestaltet und im Mittelteil des Stators angeordnet ist und daß die Bahn für die Kühlflüssigkeit durch die Kammer verläuft und aus zwei Teilen besteht, durch die die Kühlflüssigkeit in entgegengesetzten Richtungen strömt und die durch die beiden Endteilstücke des Abstandsspaltes gebildet sind.

Besonders vorteilhaft ist es nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung, die Kammer nach innen durch einen Ring von Ausflußöffnungen abzuschließen, die eine geringere Querschnittsfläche als der Abstandsspalt besitzen und durch die die Kühlflüssigkeit in den Abstandsspalt in entgegengesetzte' Richtungen zu den beiden Endstücken des Rotors hin fortleitbar ist. In einer zweckmäßigen Ausführungsform, die in ihrer Herstellung besonders billig und leicht zusammenbaubar ist, besteht das Gehäuse aus

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zwei Halften und der Ring von Ausflußöffnungen aus einem Abdeckring, der die radiale Innenwand der Kammer bildet und zwischen den beiden Gehäusehälften gehaltert ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und zweckmäßige Weiterbildungen werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Dynamometers zur Messung des Drehmomentes einer Maschine;

Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt durch den Dynamomoter gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A und

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Dynamometer gemäß Linie B-B in Fig. 2.

Das Ausführungsbeispiel zeigt in Fig. 1 den Aufbau einer Dynamometeranordnung 10 zur Messung des Drehmomentes einer Maschine 8, die durch eine flexible Wellenkupplung 6 mit dem Dynamometer 10 verbunden ist. Das Drehmoment der Maschine 8 wird durch die Drehung der Gehäuse- und Statoranordnung 24 des Dynamometers gegen eine Wiegevorrichtung 4 in Abhängigkeit von einem durch einen elektrischen Strom im Dynamometer vorgegebenen elektromagnetischen Feld bestimmt.

über eine Das Dynamometer.10 besitzt eine Welle 12, die/eine Baueinheit

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bildende Gehäuse- und Statoranordnung 24 hinausragt und sich durch Endkappen 11 erstreckt, die, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, Dichtungen 54 für die Welle enthalten. Auf der Welle 12 ist ein Rotor 16 mittels einem Splint 14 verkeilt. Entlang des äußeren ümfanges des Rotors 16 ist eine Reihe von Polzähnen 18 angeordnet.

Die Gehäuse- und Statoranordnung 24 weist zwei koaxial angeordnete Induktionsringe 26 und 28 auf, die miteinander verschraubt sind und in ihrem Mittelteil eine ringförmige Kammer 30 bilden. Die Anordnung 24 besteht aus einem Werkstoff mit einem relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich zwischen 15-25 ^«-ßcm verglichen mit den teuereren Statorwerkstoffen der bekannten Wirbelstromapparate mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 11 ju.il.cm. Dieser größere spezifische Widerstand erlaubt gleiche oder größere Feldintensitäten als bisher in der Anordnung 24, da eine größere Materialmenge zur Konstruktion verwendet ist, und es können Ströme fließen, die mindestens so hoch sind, wie in den bekannten Dynamometern. Dies gestattet eine sehr wirksame magnetische Kopplung der Anordnung 24 mit dem Rotor 16.

Die ringförmige Kammer 30 besitzt eine Einlaßöffnung 46 für eine Zuleitung 48, die Kühlflüssigkeit heranführt, und einen Ring 38 von Ausflußöffnungen, der an der der Einlaßöffnung gegenüberliegende Seite angeordnet ist. Der Ring 38 weist Ausflußöffnungen 40 auf, durch die die Kühlflüssigkeit in das Innere der Anordnung 24 fließen kann. Die Verengungen, die die Ausflußöffnungen 40 für den Flüssigkeitsstrom darstellen, sorgen dafür, daß die Kammer 30 ständig unter dem Druck der Kühlflüssigkeit steht

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und demzufolge stets mit Kühlflüssigkeit gefüllt bleibt.

Im Inneren der Kammer 30 ist eine ringförmige Feldspule 32 untergebracht, die in einer wasserdichten Tasche 34 verpackt ist, welche verhindert, daß die Windungen der Feldspule 32 durch die Kühlflüssigkeit verschmutzt werden oder daß Kurzschlüsse auftreten. Die Feldspule 32 wird von einem elektrischen Strom durchflossen, wenn das Dynamometer 10 in Betrieb ist. Dann ist sie magnetisch gekoppelt mit den Polzähnen 18 des Rotors 16 entlang eines Magnetflußweges 62.

Die beiden Induktionsringe 26 und 28 weisen an ihren äußeren Endstücken ein Paar von räumlich auseinander liegenden Nuten 42 auf .Diese Nuten 42 erstrecken sich umfangsmäßig um den gesamten Induktionsring 26 bzw. 28 und bilden Auslaßkariäle für die Kühlflüssigkeit, die durch den Spalt 3 5 strömt, der zwischen der Innenseite der Anordnung 24 und den Polzähnen 18 gebildet ist. Die Kühlflüssigkeit wird durch die Drehung des Rotors zentrifugal bewegt. Die ümfangsnuten 42 sind durch axiale Durchgänge 44 untereinander verbunden, die in Sammelleitungen 52 an den Enden der Induktionsringe 26 und 28 münden. Die Anzahl und Größe der Ümfangsnuten 42 wird durch die Verlustleistung des Dynamometers 10 bestimmt. Die Sammelleitungen 52 erhalten zusätzlich Kühlflüssigkeit direkt von den Enden des Abstandsspaltes 35 und führen das Kühlwasser über Austrittsöffnungen ab.

Die Endkappen 11 weisen Lager 20 und Labyrinthdichtungen 54 auf, die in LagerSchilden 22 enthalten sind, so daß das Dynamometer 10 in den LagerSchilden rotieren kann, damit das Drehmoment der Maschine 8 angezeigt werden kann.

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Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß das Dynamometer 10 durch die Wirbelströme, die in seinem Gehäuse 24 induziert werden, eine große Wärmemenge erzeugt. Die Wirbelströme werden durch die Polzähne 18 erzeugt, wenn diese den Magnetflußweg 62 schneiden. Um diese Wärme abzuziehen und zu verteilen, läßt man Kühlflüssigkeit durch das Dynamometer 10 zirkulieren. Die Kühlflüssigkeit kann entweder einen in der Zeichnung nicht dargestellten Wärmetauscher auf ihrem Weg von der Austrittsöffnung 50 zur Eintrittsöffnung 46 passieren oder sie kann im Gegenstromprinzip geführt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Dynamometer wird eine ausgezeichnete Kühlung erreicht, weil Wärmeübergang zwischen der Kühlflüssigkeit und dem Gehäuse 24 entlang des gesamten Weges der Kühlflüssigkeit von der Eintrittsöffnung 46 bis zur Austrittsöffnung 5O besteht. Innerhalb der ringförmigen Kammer 30 befindet sich die Flüssigkeit sowohl in Kontakt mit der wasserdichten Tasche 34 der Feldspule 32 als auch mit den Wandungen der Kammer. Die Summe der Ausflußöffnungen 40 in dem Ring 38 ist kleiner als die Querschnittsfläche der Einlaßöffnung 46. Das hat zur Folge, daß die Kammer 30 ständig unter Druck steht und vollständig mit Kühlflüssigkeit angefüllt ist, so daß stets der größtmögliche Kontakt der Wandungen der Kammer 30 und der Feldspulentasche 34 mit der Kühlflüssigkeit besteht und die durch den Betrieb der Feldspule 32 und die Wirbelströme in dem Gehäuse 24 erzeugte Wärme durch die Kühlflüssigkeit absorbiert wird.

Die Kühlflüssigkeit verläßt die Kammer 30 durch die Ausflußöffnungen 40 und tritt in den Abstandsspalt 35 ein. Die Drehung der Zähne 18 drückt die Kühlflüssigkeit in dem Abstandsspalt 35

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gegen die Enden der Induktionsringe 26 und 28 durch die Zentrifugalwirkung. In dem Moment, in dem die Kühlflüssigkeit die Enden des Gehäuses 24 erreicht, wird sie ebenfalls durch die Zentrifugalkraft in die Umfangsnuten 42 gedrückt. Durch diese Umfangsnuten 42 wird die Zeitdauer verlängert, in der die Kühlflüssigkeit in Kontakt mit den Induktionsringen 26 und 28 steht, und außerdem wird die Fläche . vergrößert, an der ein Wärmeübergang zur Kühlflüssigkeit stattfinden kann. Das ermöglicht der Kühlflüssigkeit, auch die in der Tiefe der relativ dicken Teile des Gehäuses 24 erzeugte Wärme abzuleiten; die in die Umfangsnuten 42 gedrückte Kühlflüssigkeit wird über die axialen Durchgänge 44 in die Sammelleitungen 52 und von dort zu der Austrittsöffnung 50 abgeleitet. Obwohl in dem Ausführungsbeispiel nur zwei ümfangsnuten 42 in jedem der Induktionsringe 26 und 28 vorgesehen sind, versteht es sich von selbst, daß die Anzahl dieser Nuten in Abhängigkeit von der in dem Dynamometer 10 entstehenden Wärme verä-ndert werden kann. Gleichermaßen kann die Anzahl der axialen Durchgänge 44 aus dem gleichen Grunde verändert werden, wie auch die Eindringtiefe der Durchgänge 44 und der Nuten 42 in die Induktionsringe 26 und 28.

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Claims

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Ansprüche

1. J Flüssigkeitsgekühlter Wirbelstromapparat, insbesondere

Dynamometer, mit einem Stator und einem in diesem drehbar gelagerten, auf einer Welle befestigten Rotor, der zusammen mit dem Stator und einem ringförmigen dazwischenliegenden Abstandsspalt einen von einer Feldspule umfaßten Magnetflußkreis bildet, dadurch gekennzeichnet , daß der Stator (26, 28) als Gehäuse (24) ausgebildet ist, das den Rotor (16) trägt und Ein- und Austrittsöffnungen (46, 50) für die Kühlflüssigkeit und TEiIe (30, 40, 42, 44) aufweist, die unter Einschluß des Abstandsspaltes (35) eine Bahn für die Kühlflüssigkeit bilden.

2. Wirbelstromapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile ringförmige ümfangsnuten (42) im Stator (26, 28) und axiale Durchgänge (44) enthalten, die die Ümfangsnuten mit einer Sammelleitung (52) an mindestens einem Endstück des Stators verbinden.

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3. Wirbelstromapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (16) auf seinem Umfang verteilt angeordnete Polzähne (18) aufweist und daß die Feldspule (32) in einer flüssigkeitsgekühlten Kammer (30) des Stators (26, 28) liegt.

4. Wirbelstromapparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (30) ringförmig gestaltet und im Mittelteil des Stators (26, 28) angeordnet ist und daß die Bahn für die Kühlflüssigkeit durch die Kammer verläuft und aus zwei Teilen besteht, durch die die Kühlflüssigkeit in entgegengesetzten Richtungen strömt und die durch die beiden Endteilstücke des Abstandsspaltes (3 5) gebildet sind.

5. Wirbelstromapparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet/ daß die Eintrittsöffnung (46) für die Kühlflüssigkeit in das nach außen weisende Endstück der Kammer (30) mündet, während das nach innen weisende Endstück der Kammer durch einen Ring von Ausflußöffnungen (40) abgeschlossen ist, die eine geringere Querschnittsfläche als der Abstandsspalt (35) besitzen und durch die die Kühlflüssigkeit in den Abstandsspalt in entgegengesetzte Richtungen zu den bei-

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den Endstücken des Rotors (16) hin fortleitbar ist, wo ein Teil der Kühlflüssigkeit direkt indie Sammelleitung (52) fließt und der Rest der Kühlflüssigkeit durch die ümfangsnuten (42) und die axialen Durchgänge (44) tritt, bevor er in die Sammelleitung fließt.

6. Wirbelstromapparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (24) aus zwei Hälften und der Ring von Ausflußöffnungen (40) aus einem Abdeckring (38) besteht, der die radiale Innenwand der Kammer (30) bildet und zwischen den beiden Gehäusehälften gehaltert ist.

7. Wirbelstromapparat nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennezeichnet, daß die Feldspule (32) von ener wasserdichten Plastiktasche (34) umschlossen ist.

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8. Wirbelstromapparat nach einem der vorhergehen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet," daß der Stator (26, 28) aus einem Werkstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand zwischen ca. 15 und ca. 25 p.Hcm besteht.

9. Wirbelstromapparat nach eir\_,em der vorhergehenden Ansprüche,

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dadurch gekennzeichnet, daß Wellenhalterungen (11) vorgesehen sind, die an dem Gehäuse (24) angebracht und in Lagerschilden (22) gehaltert sind.

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