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Drehzahlregelkupplung für eine Rotationsmaschine Die Ereindung betrifft
eine Kupplung mit regelbarer Drehzahl bzw. eine Drehzahlregelkupplung für eine Rotationsmaschine,
die durch eine einem weiten Bereich von Drehzahländerungen unterworzene Antriebsmaschine
angetrieben wird.
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Bisher wurden al s als Konstantdrehzahl-Antriebssystemefür eine Rotationsmaschine
elektrische, hydraulische und mit einem Pulver arbeitende Konstantdrehzahl-Antriebs
systeme verwendet, die sich jedoch bezüglich Leistung, Kosten und/oder Größe nicht
als zufriedenstellend erwiesen haben, so daß sie auch nicht verbreitet eingesetzt
werden.
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Während andererseits Flüssigke itskupplungen unter Verwendung von
viskosen Flüssigkeiten, wie 01, aufgrund ihres einfachen Aufbaus und der damit verbundenen
Kostenvorteile in erheblichem Umfang verwendet werden, sind diese Kupplungen mit
dem Nachteil behaftet, daß sie bei Auslegung für den Betrieb mit einer niedrigen
Höchstdrehzahl einen großen Schlupf bei niedriger Drehzahl besitzen, da sie im wesentlichen
mit einem Spalt oder Zwischenraum zwischen den Kupplungsteilen ausgelegt sindv
Im
Fall einer Rotationsmaschine, bei welcher ein Lastdrehmoment dem Quadrat der Drehzahl
proportional ist, beispielsweise bei einem Gebläse, wird außerdem die Wirkung einer
oberen Drehzahlbegrenzung erreicht, weil infolge des konstanten Spaltabstands der
Schlupf etwa dem Quadrat der Drehzahl proportional ist. Bei einer Rotationsmaschine,
bei welcher das Lastdrehmoment unabhängig von der Drehzahl praktisch konstant ist,
z.B. bei einem volumetrischen Kompressor (volume type of compressor), würde dagegen
entweder überhaupt kein Schlupf oder aber ständig ein Schlupf auftreten, so daß
die blüssigkeitskupplung den Nachteil besitzt, daß sie bei bestimmten Rotationsmaschinen,
beispielsweise bei einem derartigen Kompressor, nicht angewandt werden kann.
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Bei einer Rotationsmaschine, die durch eine Antriebsmaschine mit über
einen weiten Bereich hinweg schwankender Drehzahl angetrieben wird, z.B. bei einem
Kompressor für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, wird zwar die Verwendung einer mit
konstanter Drehzahl arbeitenden Rotationsvorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl
auf einen vorbestimmten engen Bereich angestrebt, doch konnte in der Praxis eine
solche Vorrichtung bisher noch nicht gewährleistet werden.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahlregelkupplung
für eine durch eine Antriebsmaschine mit großem Drehzahlände rungsbe reich angetriebene
Rotationsmaschine zu schaffen, mit welcher die Drehzahl der Rotationsmaschine auf
einen vorbestimmten engen Bereich begrenzt werden kann0 Die Erfindung wurde nun
auf der Grundlage der Feststellung entwickelt, daß es eine magnetische Flüssigkeit
gibt, die sich normalerweise wie eine viskose Flüssigkeit, etwa wie ü1, verhält,
die jedoch bei Anlegung eines Magnetfelds an sie ein Antriebsglied und ein Abtriebsglied
magnetomechanisch
gegen die Einwirkung von Schwerkraft, Druck und
Fliehkraft miteinander zu verbinden vermag.
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Diese Aufgabe wird bei einer Drehzahlregelkupplung für eine Rotationsmaschine,
die durch eine Antriebsmaschine mit über einen weiten Bereich hinweg schwankender
Drehzahl angetrieben wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie ein durch die
Antriebsmaschine angetriebenes Antriebsglied, eine in letzterem angeordnete Spule
zur Erzeugung eines Magnetfelds, ein unmittelbar mit einem Rotorteil der Rotationsmaschine
unter Festlegung eines festen Zwischenraums zum Antriebs glied verbundenes Abtriebsglied
und eine unter Abdichtung im Zwischenraum zwischen Antriebs- und Abtriebsglied eingeschlossene
magnetische bzw. magnetisierbare Flüssigkeit aufweist, sowie dadurch, daß die Kupplung
bei einen die Spule durchfließenden elektrischen Strom in Ab ängigkeitvon der lfagnetisierung
der magnetischen Flüssigkeit in dem blagnetfeld, das durch die Spule in Abhängigkeit
von der Größe des sie durchfließenden Stroms erzeugt wird, auf das mit der Antriebsmaschine
verbundene Antriebs glied und das mit der Rotationsmaschine verbundene Abtriebsglied
entweder als Direktverbindungskupplung oder als Drehzahlregelkupplung einzuwirken
vermag, wobei jedoch bei Unterbrechung des Stromflusses durch die Spule Antriebs-
und Abtriebsglied voneinander getrennt sind, so daß das Mitnahme- oder Leerlaufdrehmoment
des Abtriebsglieds auf einen sehr geringen Wert reduzierbar istg Im folgenden ist
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen wesentlichen Abschnitt
einer bevorzugten Ausführungsform einer Kupplung gemäß der Erfindung und
Fig.
2 eine graphische Darstellung einer Kennlinie zur Veranschaulichung eines Beispiels
für die Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Stator 1
auf, der eine Spule 2 enthält und mit Hilfe von Befestigungsschrauben 3 an einem
feststehenden Teil 15a einer nicht dargestellten Rotationsmaschine montiert ist0
An der Antriebsseite ist ein Rotor 4 vorgesehen, dem ein durch die Antriebsmaschine
frei angetriebener Keilriemen zugeordnet und welcher über Lager 6 im Stator gelagert
ist.
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An der Abtriebsseite ist ein Anker 5 angeordnet, der vom antriebsseitigen
Rotor 4 durch einen Zwischenraum getrennt ist, in welchem eine magnetische Flüssigkeit
12 unter Abdichtung eingeschlossen ist. Der Rotor 4 ist dabei unmittelbar mit einem
umlaufenden Abschnitt 15b der nicht dargestellten Antriebsmaschine mittels einer
Keilfeder 7, einer Zwischenscheibe 8 und eines Schraubbolzens 9 verbunden.
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Wie erwähnt, ist in dem Zwischenraum zwischen dem Rotor 4 auf der
Antriebsseite und dem Anker 5 auf der Abtriebsseite die magnetische Flüssigkeit
12 unter Abdichtung eingeschlossenO Der Zwischenraum zwischen Rotor 4 und Anker
5 ist dabei durch 0-Ringe 10 und 11 abgedichtet, so daß die eingeschlossene magnetische
Flüssigkeit 12 nicht entweichen kann.
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Nit 13 und 14 sind Teile aus einem nichtmagnetischen Werkstoff dargestellt,
die am Anker 5 bzw. am Rotor 4 befestigt und so angeordnet sind, daß der Magnetfluß
den Anker 5 und den Rotor 4 selbst nur schwer durchdringen kann, und welche ebenfalls
zur Verhinderung eines Austritts der magnetischen Flüssigkeit 12 dienen, Im folgenden
ist die Arbeitsweise der vorstehend umrissenen
VorrichtunO erläutert:
Der Rotor 4 wird durch die nich-t dargestellte Antriebsmaschine,z.B. eine Brennkraftmaschine,
ständig-angetrieben. Wenn die Spule 2 nicht von einem Strom durchflossen wird, verhält
sich die magnetische Flüssigkeit 12 wie eine gewöhnliche Flüssigkeit, so daß auf
den Anker 5 kein Drehmoment zum Antreiben einer abtriebsseitigen, nicht dargestellten
Rotationsmaschine übertragen wird und die Kupplunge somit vollständig durchrutscht.
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brenn die Spule 2, von der linken Seite gemäß Fig. 1 her gesehen,
im Uhrzeigersinn von einem Nenn- oder Leis-tungs-Gleichstrom (rating DC current)
durchflossen wird, wird die magnetische Flüssigkeit 12 durch ein längs der Pfeillinie
S erzeugtes Magnetfeld magnetisiert und dadurch in ihrer Position zwischen dem Rotor
4 und desAnker 5 arretiert bzw. festgelegt, so daß die einander gegenüberliegenden
massiven Wände des Rotors 4 und des Ankers 5 magnetomechanisch in ihren Relativpositionen
zueinander festgelegt bzw. gekoppelt sind, wobei sich Rotor 4 und Anker 5 mithin
so verhalten, als wenn sie unmittelbar miteinander verbunden wären.
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Sobald die Drehzahl des antriebsseitigen Rotors 4 die obere Grenze
eines für die Direktverbindung vorbestimmten Drehzahlbereichs überschreitet, wird
der die Spule 2 durchfließende Gleichstrom durch eine nicht dargestellte Regeleinrichtung
reduziert, welche den Gleichstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl oder dem Lastdrehmoment
des Rotors 4 zu regeln vermag. Durch die hierbei bewirkte Schwächung der agnetfeldstärke
wird auch die Kraft für die magnetomechanische Lagenfestlegung der magnetischen
Flüssigkeit 12 geschwäch-t. Wenn dabei das durch die Kraft der magnetomechanischen
Kopplung zwischen den einander gegenüberstehenden massiven Wänden von Rotor 4 und
Anker 5 erzeugte Drehmoment unter das Lastdrehmoment abfällt, kann ein Schlupf zwischen
Rotor 4 und Anker 5 auftreten.
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Im Fall einer Rotationsmaschine, bei welcher ein Lastdrehmoment, wie
erwähnt, der Drehzahl proportional ist, wird die Drehzahl auf der Abtriebsseite
relativ zur Drehzahl auf der Antriebsseite durch Verringerung des die Spule 2 durcnfließenden
Stroms zwecks Ermöglichung eines Schlupfs des Ankers 5 variiert bzw. geregelt. Bei
einer Rotationsmaschine, wie einem volumetrischen Kompressor oder Verdichter, bei
dem das Lastdrehmoment unabhängig von der Drehzahl praktisch konstant ist, kann
dagegen die Drehzahl an der Abtriebsseite relativ zur Drehzahl an der Antriebs seite
dadurch variiert werden, dat, der die Spule 2 durchfließende Gleichstrom durch eine
getrennte Regelvorrichtung in einen pulsierenden Strom umgewandelt wird, wobei sich
Direktverbindungs- und Schlupfvorgänge abwechselnd wiederholen und somit die Relativdrehzahl
entsprechend der Zahl oder der Periode der Schlupfzyklen pro Zeiteinheit geändert
wird.
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Das im Kennliniendiagramm von Fig. 2 dargestellte Beispiel veranschaulicht
die Leistung oder Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Drehzahlen
an der Antriebsseite (Rotorseite) und an der Abtriebsseite (Ankerseite) in Form
der Winkelgeschwindigkeiten. Dies ist ein Beispiel für die Arbeitsweise einer Drehzahlregelkupplung,
die bei niedrigen Drehzahlen eingerückt ist, bei welcher jedoch ein oclilupf eingeführt
wird, wenn die Drehzahl einen Grenzwert des Dire'rtverbindemgsbereichs überschreitet.
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Genauer gesagt: Ausgehend vom Punkt 0 arbeitet die Kupplung als Direktverbindungskupplung
Es zum Punkt A, indem ein Nenn-oder Leistungsstrom (rating current) durch die Spule
2 hindurchgeleitet wird; während dieser Zeitspanne stehen die Drehzahlen an Abtriebsseite
und Antriebsseite im Verhältnis 1:1 zueinander. Wenn der die Spule 2 durchfließende
Strom nach Erreichen des Punkts A bei zunehmender Drehzahl an der Antriebsseite
allmählich verringert wird, variiert die Drehzahl längs der Linie A-B bis zum Punkt
B,
Die gestrichelte Linie D gibt die Kennlinie einer bisher angewandten
Flüs sigkeitskupplungan, welche die Viskosität einer Flüssigkeit ausnutzt. Wenn
der Nenn- oder Leistungsstrom nach Durchlauf des Punkts A weiter durch die Spule
2 geleitet wird, arbeitet die Kupplung längs der Linie A-C bis zum Punkt C weiter
als Direktverbindungskupplung. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der Punkt
A mittels einer getrennten Regelvorrichtung willkürlich oder beliebig auf einen
gewünschten Wert festgelegt werden kann.
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Infolge der vorstehend erläuterten und im Patentanspruch gekennzeichneten
Konstruktion bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung die folgenden Vorteile: 1.
Wenn zur Erzeugung eines Magnetfelds ein Nenn- oder Leistungsstrom durch die Spule
geleitet wird, arbeitet die Kupplung als elektromagnetische Kupplung zur unmittelbaren
Verbindung einer Antriebsmaschine mit einer Rotationsmaschine.
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2. 1;Jahlweiseis e kann die Kupplung als Drehzahlregelkupplung arbeiten,
bei welcher ein Schlupf zwischen einem Antriebs-und einem Abtriebsglied durch Regelung
des die Spule durchfließenden Stroms willkürlich oder wahlfrei variiert wird. Dies
führt dazu, daß die Drehzahl an der Abtriebsseite plötzlich auf einen festgelegten
Wert ansteigen kann und daß das Anfahren der Rotationsmaschine ruckfrei erfolgt
und das Leerlaufdrehmoment klein ist.
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3o Falls die Spule nicht von Strom durchflossen wird, verhält sich
die magnetische Flüssigkeit wie eine Flüssigkeit mit sehr niedriger Viskosität,
so daß ein nur sehr geringes Mitnahme- oder Leerlaufdrehmoment gegeben ist.
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Darübedhinaus lassen sich durch Anderung der Dichte und/oder Viskosität
der magnetischen Flüssigkeit ohne weiteres Drehzahlre gelkupplungenmit verschiedenen
Eigenschaften herstellen.
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4O Aufgrund der Verwendung der beschriebenen magnetischen Flüssigkeit
ist, mit Ausnahme an den 0-Ringen, keinerlei Reibung vorhanden, so daß nur eine
geringe Wärmeentwicklung auftritt und die Kupplung einen-kompakten und kostensparenden
Aufbau erhält.