DE2522423C2 - Elektromagnetische Wirbelstromkupplung - Google Patents

Description

und 41 und der Innenfläche der Ankertrommel 27 ist ein enger Luftspalt oder Zwischenraum 43, der eine Realtivdrehung der Ankertrommel 27 und En egerteils 29 ermöglicht

Am Lagerschild 17 ist ein feststehender (stationärer) ringförmiger magnetischer Träger 45 befestigt, der eine ringförmige Feldspule 47 trägt Eine elektrische Verbindung 49 ist zur Erregung der Feldspule 47 dargestellt. Ein von der Antriebswelle 21 angetriebener Tachogenerator 51 kann mit vorliegender Kupplung verbunden sein. Der Tachogenerator 51 erzeugt auf der Leitung 53 ein Signal, das die Geschwindigkeit der Abtriebswelle 21 anzeigt und das durch einen nicht dargestellten elektrischen Schaltkreis zur Regelung der Geschwindigkeit der Abtriebswelle 21 in bekannter Weise verwendet werden kann, wobei dies keinen Teil vorliegender Erfindung bildet Es sei angemerkt, daß das Erregen der Feldspule 47 einen Kraftlinienweg aufbaut, wie ^r durch die gestrichelte Linie M dargestellt ist und der den Erregerteil 29 und die Ankertrommel 27 elektromagnetisch kuppelt, so daß die Rotation der Ankertrommel 27 eine Rotation des Erregerteils 29 bewirkt. Die Höhe der Erregung der Feldspule 47 steuert den Schlupf zwischen dem Erregerteil 29 und der Ankertrommel 27 in bekannter Weise.

Während des Betriebs der Wirbelstromkupplung 11 ergibt die Relativdrehung zwischen dem Erregerteil 29 und der Ankertrommel 27 das Erzeugen von Wirbelströmen der Ankertrommel 27, woraus der Begriff »Wirbelstromkupplung« resultiert. Diese Wirbelströme erzeugen ein Magnetfeld, das die Übertragung eines Drehmoments von dem Anker 25 zum Erregerteil 29, wie oben beschrieben, ermöglicht. Bei Belastung tritt ein Schlupf zwischen dem Anker 25 und dem Erregerteil 29 auf, und ein solcher Schlupf bzw. Unterschied in der Drehgeschwindigkeit erzeugt Wärme in der Ankertrommel 27.

Wie in F i g. 1 und in größerem Maßstab in den F i g. 2 und 3 dargestellt, besitzt die Ankertrommel 27, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel genau zylindrisch ist, eine äußere wärmeableitende Oberfläche 55. Die Ankertrommel 27 weist auch eine Vielzahl von wärmeableitenden Nuten 57 auf, von denen jede an ihrem radial nach innen gerichteten Ende in einer Bodenfläche 59 endet. Während die wärmeableitenden Nuten 57 irgendwelche beliebigen aus einer Mehrzahl von Formen besitzen können, wie beispielsweise eine kontinuierliche schraubenförmige Nut, besitzt die Nut-Anordnung beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl einzelner sich in Umfangsrichtung, vorzugsweise um den Umfang herum erstreckender Nuten, die in Richtung parallel zur Längsachse der Ankertromrnel 27 des Ankers 25 im Abstand voneinander angeordnet sind.

Der Anker 25 weist ferner eine Mehrzahl von Kühlgasleitgliedern 61 auf, die an der äußeren wärmeableitenden Oberfläche 55 befestigt sind. Die Glieder 61 können in bezug auf die Oberfläche 55 in geringem Abstand von ihr angeordnet sein, jedoch sind sie bevorzugt angrenzend an die Oberfläche beispielsweise mittels einer Fteihe von Schweißstellen 63 fest angeordnet. Die Leitglieder 61 sind, wie hier dargestellt, im allgemeinen zylindrisch, jedoch können sie verschiedene andere Querschnitts-Ausbildungen besitzen, wie beispielsweise ein Oval, und haben den Z^Veck, das Kühlgas in die wärmeableitenden Nuten zu leiten, d. h. lenken, wie im folgenden detaillierter beschrieben wird. Zusätzlich dienen die Leitglieder 61, während sie sich mit der rotierenden Ankertrommel 27 bewegen und mit der wärmeableitenden Oberfläche 55 in Kontakt sind, dazu, die dorthin geleitete Wärme nach Art von Kühlschaufeln oder -rippen abzuleiten.

Es sei erwähnt, daß die Kupplung 11 einige nicht dargestellte Mittel zum Einleiten des Kühlgases ins Innere des Gehäuses 13 besitzen kann, wie beispielsweise ein nicht dargestelltes Gebläse oder auch pur eine Mündung oder öffnung im Gehäuse, obwohl es sich bei der Verwendung vorliegender Erfindung als möglich erwiesen hat, daß man eine ausreichende Wärmeübertragung erhält auch wenn man jegliches Hilfskühlmittel wegläßt.

Gemäß F i g. 3 ist die Ankertrommel 27 so dargestellt, daß sie im Gegenuhrzeigersinn rotiert. Also bewegt sich jedes der Glieder 61 in derselben Richtung in das Kühlgas, das normalerweise Luft ist. Das Bewegen der Glieder 61 in die Kühlluft innerhalb des Gehäuses 13 bewirkt einen Aufbau eines positiven Luftdruckes (+P) nahe der Vorderfläche des Gliedes 61 und einen Bereich negativen Luftdruckes (-P) nahe der Rückfläche. Die gegen das Glied 61 prallende Luft wird, wie in F i g. 3 dargestellt, aufgeteilt und ein Teil von ihr wird nach einwärts in die wärmeableitenden Nuten 57 gezwungen. Wenigstens ein Teil der Kühlluft, die in die Nuten 57 eindringt, schlägt gegen die Bodenfläche 59 und wird hierdurch nach außen aus der Nut 57 und weg von der Trommel 27 gerichtet, d. h. umgelenkt, wobei sie Wärme von der Bodenfläche 59 wegführt, was insbesondere im Hinblick auf die Tatsache wichtig ist, daß die »Wirbelströme« tief innerhalb der Trommel 27 Wärme erzeugen. Es versteht sich, daß die Pfeile in F i g. 3 nur den Einfall von Luft in die Nut ebenso wie die Strömung von Luft aus ihr heraus darstellen sollen und nicht den wirklichen Einfalls- und Ausfallswinkel darstellen sollen, die durch die spezielle Geometrie der Leitglieder 61 und der Nuten 57 bestimmt werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind achtundzwanzig Glieder 61 verwendet, von denen jedes sich im wesentlichen parallel zur Längsachse der zylindrischen Trommel 27 erstreckt. Es ist für eine einheitliche Kühlung ebenso wie für die Auswuchtung des Ankers 25 normalerweise bevorzugt, daß die Leitglieder 61 umfangsseitig um die Oberfläche 55 in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Die Anordnung der Glieder 61 parallel zur Achse der Trommel wird bevorzugt, weil die Glieder dann senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung ausgerichtet sind, so daß sie am wirkungsvollsten sind, das Kühlgas in die Nuten 57 zu richten, wobei die Glieder 61 vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu den Nuten sind.

Bei Tests, die zum Zwecke der Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Kühlsystems vorliegender Erfindung Hefen, wurden zwei Wirbelstrom-Kupplungen der hier dargestellten und beschriebenen Art verwendet. Eine der Kupplungen, die hier als »konventionell« bezeichnet wird, war wie die in F i g. 1 dargestellte aufgebaut, jedoch ohne die Leitglieder 61, während die andere Kupplung, die hier als »modifiziert« bezeichnet wird, die Glieder 61 enthielt. Jede der Kupplungen war einer Belastung von 18,4 kW (25 PS) unterworfen und die konventionelle Kupplung lief 90 Minuten lang, während die modifizierte Kupplung 120 Minuten lang getestet wurJ2. Die verbesserte Kühlfähigkeit vorliegender Erfindung wurde durch die Tatsache dargestellt, daß während des Messens die Temperatur der Oberfläche 55 der Ankertrommel 27 sich bei der konventionellen Kupplung auf 319°C erhöhte, aber bei der modifizierten Kupplung nur auf 236⁰C. Des weiteren erreicht die

Temperatur des Gehäuses 13 bei der konventionellen Kupplung 109⁰C, jedoch bei der modifizierten Kupplung nur 90⁰C₁ und die Temperatur des Führungslagers 31 stieg bei der konventionellen Kupplung auf 100⁰C und bei der modifizierten Kupplung nur auf 78⁰C. Ahnliehe Ergebnisse erreichte man mit zwei Kupplungen, die einer Belastung von 14,7 kW (20 PS) unterworfen wurden. Beispielsweise stieg die Temperatur der Fläche 55 der Ankertrommel 27 bei der konventionellen Kupplung auf 256°C und bei der modifizierten Kupplung auf 193° C.

Obwohl der spezielle Wärmeübertragungs-Mechanismus vorliegender Erfindung nicht vollständig erfaßt ist, ergab sich als Hypothese, daß bei der vorliegenden Erfindung die Wärmeübertragungs-Fähigkeit des Kühlgases dadurch vergrößert wird, daß der Wärmeübergang (die Wärmeübertragung) eine Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der Trommel und dem ankommenden Kühlgas ist, und das Kühlgas in die Nuten 57 in einer solchen Weise geleitet wird, daß es schnell wieder aus den Nuten heraus gerichtet wird. Also ist die Kühlluft in der Nut nur eine kurze Zeit während der seine Wärmeübertragungs- oder Wärmeabsorbtions-Fähigkeit ein Maximum ist, weil die Temperaturdifferenz zwischen der Luft und der Trommel ein Maximum ist Wenn die Kühlluft durch die Nuten in solcher Weise strömt, daß sie in der Nut eine längere Zeitdauer bleibt, verringert sich die Wärmeübertragungs-Fähigkeit der Luft, da sie wärmer wird und sich die Temperaturdifferenz zwischen der Luft und der Trommel verringert. Es ist deshalb ein wichtiges Merkmal vorliegender Erfindung, daß Leitglieder benachbart der wärmeableitenden Oberfläche der Ankertrommel zum Leiten des Kühlgases nach innen in einer solchen Weise vorgesehen sind, daß das relativ kühle Gas in die wärmeableitenden Nuten eintritt und aus den Nuten schnell wieder nach außen gerichtet wird, wie beispielsweise mittels der gegen die Bodenfläche der Nut prallenden Luft, wodurch sie durch die Bodenfläche nach außen umgelenkt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

45

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60

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Claims (4)

1 2 durch den Spalt zwischen den Polen und den Leitble- Patentansprüche: chen bzw. Rippen und dann über die Leitblechc geführt wird. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß

1. Elektromagnetische Wirbelstromkupplung mit die Wirbelströme unterbrochen werden und daß der einer im wesentlichen zylindrischen, für eine radiale s magnetische Widerstand für den magnetischen Fluß erStrömung des Kühlgases undurchlässigen Anker- höht wird, so daß nur geringere Drehmomente übertratrommel, die an der vom Luftspalt abgewandten, gen werden können.

wärmeableitenden Oberfläche mindestens eine in Bei einer weiteren bekannten Wirbelstromkupplung, Umfangsrichtung verlaufende Nut mit einer Boden- die in der US-PS 36 41 375 beschrieben ist, ist eine Reihe fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, io druckdichter Kammern vorgesehen, die um das Kuppdaß sich axial erstreckende Kühlgas-Leitglieder (61) lungsgehäuse herum im Abstand voneinander angeordder wärmeableitenden Oberfläche (55) benachbart net sind. Das Kühlgas tritt aus den Kammern gegen die • oder sie berührend an dem Anker befestigt sind. Oberfläche der Ankertrommel aus und gelangt von dort welche das Kühlgas nach innen in die wenigstens zu einer benachbarten Ausströmöffnung. Die Kühlleieine wärmeableitende Nut (57) leiten. 15 stung ist bei dieser bekannten Wirbelstromkupplung im 2 Wirbelstromkupplung nach Anspruch 1, da- allgemeinen annehmbar; es werden jedoch Mittel zur durrii gekennzeichnet, daß die wärmeableitende Druckerzeugung in den Druckkammern benötigt, beiOberfläche (55) mehr als eine sich in Umfangsrich- spielsweise ein Gebläse oder ein Ventilator. Darüber tung erstreckende wärmeableitende Nut (57) auf- hinaus ist die alternierende Anordnung von Druckkamweist, die in Richtung der Längsachse der Anker- 20 mern, Ausströmöffnungen und zugeordneten Prallbletrcmmel (27) im Abstand voneinander angeordnet chen schwierig und in der Herstellung teuer und erforsind. dert einen unangemessen großen Raum innerhalb des

3. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 1 oder 2, Kupplungsgehäuses.

dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgas-Leitglie- Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfinder (61) zylindrisch ausgebildet sind. 25 dung die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstromkupplung

4. Wirbelstromkupplung nach einem der Ansprü- nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 dahingeche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem hend zu verbessern, daß die Kühlleistung durch Erhödie Ankertrommel (27) umgebenden Gehäuse zum hung des Kühlgasdurchsatzes durch die mindestens eine Einleiten des Kühlgases in das Innere des Gehäuses Nut der Ankertrommel vergrößert wird.

(13) ein Gebläse oder eine Öffnung vorgesehen ist 30 Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine

Wirbelstromkupplung mit den Merkmalen des Kennzei-

chenteils des Anspruchs 1 gelöst

Diese erfindungsgemäße Wirbelstromkupplung weist vergrößerte Kühlleistung auf infolge erhöhten Kühlgas-

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Wir- 35 durchsatzes.

belstromkupplung gemäß dem Gattungsbegriff des An- Die zylindrische Ankertrommel kann genau zylin-

spruchs 1. drisch sein oder kann beispielsweise eine leichte Verjün-

Eine derartige Wirbelstromkupplung ist in der DE- gung aus Gründen des mechanischen Aufbaues besit-

OS 23 63 193 beschrieben und besitzt mehrere, in Um- zen.

fangsrichtung verlaufende Kühlnuten, mit denen jedoch 40 Die Erfindung wird gemäß Zeichnung anhand eines in der Praxis noch keine optimale Kühlwirkung erreich- Ausführungsbeispieles noch näher erläutert. Es zeigt bar ist, da der Kühlgasdurchsatz durch die Kühlnuten F i g. 1 einen axialen Halbschnitt einer Wirbelstromrelativ niedrig ist kupplung gemäß der Erfindung,

Überhaupt hat es sich bei Wirbelstromkupplungen als F i g. 2 einen vergrößerten Teilschnitt, der die wärmeein Problem erwiesen, die bei der Drehmomentübertra- 45 ableitenden Nuten der Kupplung gemäß F i g. 1 detailgung, insbesondere aufgrund des Schlupfes zwischen lierter zeigt, und

der Ankertrommel und dem Erregerteil erzeugte War- F i g. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der

me wirksam abzuleiten, weshalb verschiedene Arten Fig.2.

von Kühlsystemen untersucht wurden, um Wirbel- Im einzelnen zeigt F i g. 1 einen Halb-Längsschnitt ei-

stromkupplungen zu erhalten, die bei vorgegebener 50 ner Wirbelstrom-Kupplung 11. Die Kupplung 11 weist

Obergrenze ihrer zulässigen Erwärmung eine möglichst ein Hauptgehäuse 13 und Lagerschilde 15 und 17 auf.

hohe Leistung übertragen können. Der Lagerschild 15 lagert eine Antriebswelle 19 und der

Insbesondere sind bei vielen bekannten Wirbelstrom- Lagerschild 17 eine Abtriebswelle 21 mittels eines La-

kupplungen wärmeableitende Leitbleche bzw. Rippen gers23.

vorgesehen, die entweder radial oder axial von der 55 Mit der Antriebswelle 19 ist ein Anker 25 verkeilt, der

Mantelfläche der Ankertrommel abstehen. Es hat sich eine zylindrische Ankertrommel 27 aus einem ferroma-

gezeigt, daß solche Leitbleche bzw. Rippen keine aus- gnetischen Material, wie beispielsweise Eisen oder

reichende Kühlung bewirken und außerdem einen der- Stahl, aufweist, das parallel zu seiner Achse einen im

art großen Lärm entwickeln, daß ein Schalldämpfer er- wesentlichen gleichmäßigen magnetischen Widerstand

forderlich ist Ein typisches Leitblech- bzw. Rippen- 60 (Reluktanz) besitzt. Mit der Abtriebswelle 21 ist ein ma-

Kühlsystem der betrachteten Art ist beispielsweise in gnetisches Rotorglied eines Erregerteiles 29 verkeilt,

der US-PS 23 45 850 beschrieben. und ein Führungslager 31 ist zwischen der Antriebswel-

Die US-PS 27 45 974 beschreibt eine Wirbelstrom- Ie 19 und dem Erregerteil 29 angeordnet. Der Erregerkupplung, bei der die Ankertrommel eine Anzahl von teil 29 enthält eine Magnetpolanordnung 33, die einen Leitblechen bzw. Rippen aufweist, die in Umfangsrich- 65 Ring 35 enthält, der am Erregerteil 29 mittels eines nicht tung verlaufende Schlitze definieren, in denen eine Luft- magnetischen Abstandstücks 37 gehalten ist. Der Erreströmung möglich ist und die von benachbarten Ma- gerteil 29 und der Ring 35 tragen ineinandergreifende gnetpolen des Erregerteils begrenzt sind, wobei die Luft Polzähne oder Pole 39 bzw. 41. Zwischen den Zähnen 39