DE3203143C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die in Verbrennungsmotoren an den Brennraumwänden abgege­ bene Wärme muß durch Luft- oder Wasserkühlung an die Um­ gebungsluft abgeführt werden. Hierzu dient im allgemeinen ein Ventilator z. B. zur Temperaturregelung. Die Beeinflus­ sung des Ventilators hat abgesehen von der Temperaturrege­ lung noch den Grund der Leistungs- und damit Kraftstoffer­ sparnis, sowie der Geräuschentwicklung. Eine Regelung wird durch elektromagnetische Ventilatorkupplungen oder durch Elektromotorantrieb erreicht. Dabei erfolgt das Zu- und Abschalten der Ventilatoren durch Thermoschalter im Kühl­ wasserstrom. Zwar kann ein geringes Laufgeräusch des Kühl­ ventilators durch Begrenzung der Umfangsgeschwindigkeit so­ wie durch besondere konstruktive Ausgestaltungen erreicht werden, eine Geräuschentwicklung kann jedoch nicht ausge­ schaltet werden.

Auch der Leistungsbedarf eines Ventilators kann bis 5% in der Motorleistung bei wassergekühlten Motoren und bis 10% bei luftgekühlten Motoren betragen. Dies führt dazu, daß man Ventilatoren nur dann einsetzt, wenn sie zur Küh­ lung unbedingt benötigt werden. Im übrigen bleibt der Ven­ tilator ausgeschaltet.

Bei einer derartigen Betriebsweise (Ein- und Ausschalten) hat es sich jedoch gezeigt, daß dies zwar der Motorkühlung ausreichend Rechnung trägt, jedoch nicht den im Motor­ raum befindlichen elektronischen Bauelementen. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Heckmotor (Busse usw.) hat es sich her­ ausgestellt, daß ein völliges Abschalten des Ventilators zu Störungen an bestimmten Aggregaten führen kann. In Bussen wurden deshalb z. B. kleinere zusätzliche elektrisch ange­ triebene Ventilatoren eingebaut. Diese Maßnahmen sind je­ doch umständlich und kostenaufwendig.

Um diesen Mangel zu beheben, ist eine sogenannte Strömungs­ bremse bekannt geworden, die mit einer geregelten Schlepp­ drehzahl arbeitet. Bei abgeschalteter Magnetkupplung über­ trägt die hydraulische Strömungsbremse Antriebskräfte auf den Lüfterflügel. Die Momentübertragung geschieht dabei nach Art einer hydraulischen Kupplung.

Eine derartige Konstruktion hat den Nachteil, daß sie mit verschiedenen Schaufelrädern und Hydraulikmedium sehr auf­ wendig konstruiert ist. In dem Hydraulikmedium entsteht außerdem eine nicht unbeachtliche Wärme, die nach außen hin abgeführt werden muß. Schließlich gibt es nicht unbe­ achtliche Dichtungsprobleme bei der Handhabung der Hydrau­ likflüssigkeit. Die bekannte Konstruktion ist demnach kon­ struktiv sehr aufwendig und in der Handhabung bezüglich Kühlung und Abdichtung sehr problematisch.

Aus der DE-AS 15 76 715 ist ein Ventilatorantrieb zur Kühlung einer Wärmekraftmaschine bekanntgeworden, der eine nach dem Hystereseprinzip arbeitende Kupplung aufweist. Die aus Ankerscheibe und Magnetinduktor aufgebaute Hysterese­ kupplung ist zwischen einer Keilriemenscheibe und einem Rotor gekapselt eingebettet. Diese Hysteresekupplung erzeugt ein Drehmoment, welches unabhängig von der Relativdrehzahl der Drehwelle ist, d. h. schon bereits bei sehr geringer Relativdrehzahl wird das maximale Drehmoment und damit eine Lüfterflügeldrehzahl erzielt, welche ruckartig aufgetragen und nahezu identisch ist wie die Drehzahl der Drehwelle. Eine Schleppdrehzahl entsprechend dem zuvor genannten Stand der Technik mit einer Strömungsbremse ist mit dieser Anordnung nicht erzielbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen abschalt­ baren Ventilator mit geregelter Schleppdrehzahl des Lüfterrades zu schaffen, der konstruktiv sehr einfach und damit kostengünstig aufgebaut ist und bei dem sich keinerlei Kühl- und Dichtungsprobleme ergeben.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, daß das Lüfterrad im nicht an den Motor angekuppelten Zustand durch eine Wirbelstrom­ kupplung angetrieben wird.

Das bekannte Wirbelstromprinzip arbeitet mit einem sehr einfachen Aufbau und einer großen Betriebssicherheit. Da­ bei wird durch einen umlaufenden Permanentmagneten mit Einzelpolen wechselnder Polarität ein umlaufendes Magnet­ feld erzeugt, welches in einem Läufer Wirbelströme indu­ ziert, die ein der Drehzahl proportionales Drehmoment er­ zeugen. Durch dieses Prinzip kann demnach eine konstante Schleppdrehzahl des Lüfterrades ab einer bestimmten Mo­ tordrehzahl erzielt werden, die wesentlich niedriger als die Motordrehzahl liegt. Hierdurch wird auch die Schalt­ häufigkeit des Lüftersystems verringert.

Das erfindungsgemäße System hat den Vorteil, daß ein Wär­ mestau im Motorraum vermieden wird. Dies ist insbesondere bei gekapseltem Motorraum wichtig. Weiterhin tritt eine Verschleißminderung durch reduzierte Massenbeschleunigung auf, da das Lüfterrad nur von der bestimmten Schlepp­ drehzahl aus beschleunigt werden muß. Hierdurch werden auch die Keilriemen geschont. Gegenüber der bekannten hydraulischen Lüfterkupplung hat der erfindungsgemäße Lüfterantrieb den Vorteil, daß keine Dichtungsprobleme mit Hydraulikmedium sowie Wärmeabfuhrprobleme aus dem Hydraulikmedium zu bewältigen sind. Vielmehr stellt die erfindungsgemäße Einrichtung eine äußerst einfache, rein mechanische Lösung dar. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt rein induktiv, wobei die Übertragungsverluste re­ lativ gering sind. Der Antrieb ist verschleißfrei.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Beson­ ders vorteilhaft ist, daß die Lüfterantriebswelle mit einem elektrisch leitenden Läuferrad und das frei umlau­ fende Lüfterrad mit einem Permanentmagneten wechseln­ der Polarität verbunden ist. Der Permanentmagnet ist da­ bei als zylindrische Scheibe mit 4 bis 10 Segmen­ ten oder mehr ausgebildet.

Diese konstruktive Ausführungsform ermöglicht auf einfach­ ste Weise ein Rotieren des Lüfterrades bei nicht direkt an­ gekuppelter Lüfterkupplung.

Durch einfaches Anschrauben eines Permanentmagneten an die Lüfterradnabe, sowie durch das vor dem Permanentma­ gneten angeordneten Läuferrad wird eine voll funktions­ fähige Kupplung mit geregelter Schleppdrehzahl geschaf­ fen.

Besonders vorteilhaft ist weiterhin, daß das Läuferrad in dem dem Permanentmagneten abgewandten Bereich Kühlrip­ pen aufweist. Hierdurch kann die in dem Läuferrad durch die induzierten Wirbelströme entstehende Wärme ohne auf­ wendige konstruktive Maßnahmen abgeführt werden.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß der Abstand zwischen dem Läuferrad und dem Permanentmagneten variabel ist. Durch diese Maßnahme kann der Einfluß des Permanentmagneten auf das Läuferrad, d. h. die Einwirkung des Drehmoments und damit die Drehzahl varriert werden. Durch Variation dieses Ab­ standes kann demnach die Schleppdrehzahl auf die jewei­ ligen Bedürfnisse und auf den Motortyp abgestimmt werden.

Reicht die Schleppdrehzahl zur Kühlung nicht mehr aus, so wird auf herkömmliche Weise die Magnetkupplung eingeschal­ tet und die Lüfterdrehzahl auf die Motordrehzahl angeho­ ben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert.

Die Figur zeigt einen Axialschnitt des wirksamen Teils einer bekannten elektromagnetisch betätigbaren Reib­ scheibenkupplung für Lüfterantriebe mit dem erfindungsge­ mäßen Lüfterantrieb.

Die in der Figur dargestellte Kupplung entspricht einer Einrichtung wie sie z. B. in dem deutschen Gebrauchs­ muster 81 09 726 dargestellt ist. In der Figur ist ein feststehender Befestigungsflansch 11 dargestellt, an dem ein Stator 12 angeschraubt ist. Es handelt sich um einen im Schnitt im wesentlichen U-förmigen, aus einer ferroma­ gnetischen Werkstoff bestehenden Ringkörper, in den eine Erregerwicklung 13 eingebetet ist. Diese steht über ein Kabel 14 mit einer Spannungsquelle in Verbindung.

Ein Rotor 15 und ein Ankerring 16 sind unabhängig vonein­ ander um eine Achse 17 drehbar gelagert. Der Ankerring 16 ist zudem um einen geringen Betrag axial beweglich, so daß er bei eingeschalteter Erregerwicklung 13 einen Luftspalt 18 von etwa 0,3 mm schließt und sich unmittelbar an den Rotor 15 anlegt. Dieser ist mit einer Antriebswelle 19 über eine Paßfeder 20 fest verbunden.

Der Rohr 15 umschließt mit seinen Ringwänden 21 und 22 den Stator 12 teilweise, wodurch zylindrische Luftspalte 23 und 24 entstehen. Der mit der Erregerwicklung 13 ver­ kettete Magnetfluß tritt vom Stator durch den Luftspalt 23 in die Ringwand 21 des Rotors und kehrt durch die Ring­ wand 22 und den Luftspalt 24 zurück. In die ebene Partie des Rotors sind auf zwei Radien kreisförmig verteilte Bogen­ schlitze 25, 26 eingefräst. Zwischen den aufeinanderfol­ genden Schlitzen verbleiben nur schmale Stege. Somit bie­ tet sich der radialen Flußkomponente im Rohr an zwei Stellen der radialen Distanz eine starke Verengung des Flußweges, indem der Kreisumfang auf die Summe der wenigen Stegbrei­ ten zusammenschrumpft. In der Auswirkung sind dies zwei hohe magnetische Widerstände. Der Fluß umgeht diese Widerstän­ de, indem er über den Luftspalt 18 in den Ankerring 16 aus­ weicht. Dieser ist durch entsprechende, nicht näher darge­ stellte Bogenschlitze in einen oberen und unteren Ringbe­ reich 27 und 28 geteilt. Der Fluß wechselt daher vom Ring­ bereich 27 unter Umgehung des Bogenschlitzes im Ankerring 16 in den mittleren Ringbereich 29 des Rotors 15, von dort wieder in den Ringbereich 28 des Ankerrings 16 und schließ­ lich wieder zurück in den Rotor 15. Dieser meanderförmige Flußverlauf ergibt die gewünschten axialen Flußkomponenten, und damit eine hohe Zugkraft zwischen dem Ankerring 16 und dem Rotor 15 bei eingeschalteter Erregerwicklung 13.

An dem Ankerring 16 ist eine Lüfterradnabe 30 mittels einer Schraubverbindung 31 angeflanscht. An die auf der Antriebs­ welle 19 frei umlaufende Lüfterradnabe 30 ist das Lüfter­ rad 32 angeschraubt. Bei angezogenem Ankerring 16 an den Rotor 15 rotiert das Lüfterrad 32 mit der Drehzahl der Antriebswelle 19.

An die Lüfterradnabe 30 ist ein zylindrischer Permanent­ magnet 33 befestigt. Die kreisförmige Oberfläche des Per­ manentmagneten 33 ist in ca. 10 Segmentabschnitte mit wech­ selnder Polarität aufgestellt.

In einem Abstand von ca. 0,1 bis 4 mm vom Permanentma­ gneten 33 entfernt, befindet sich ein elektrisch leitendes Läuferrad 34, z. B. aus ferromagnetischem Material, Alu­ minium oder dergleichen. Dieses Läuferrad 34 ist über ei­ ne Nabe 35 fest mit der umlaufenden Antriebswelle 19 ver­ bunden. Im vorderen Bereich weist das Läuferrad 34 eine flügelförmige Ausgestaltung 36 auf, zur Kühlung des durch die induzierten Ströme sich erwärmenden Läuferrades.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt: Bei nichteingeschalte­ ter Kupplung rotiert das Läuferrad 34 mit der Dreh­ zahl der Antriebswelle 19. Durch das umlaufende Magnet­ feld werden Wirbelströme induziert, die ein der Drehzahl proportionales Drehmoment erzeugen. Hierdurch dreht sich der Permanentmagnet 33, mit ihm die Lüfterradnabe 30 und das Lüfterrad.

Die Lüfterradnabe 30 dreht sich jedoch gegenüber der Mo­ tordrehzahl mit verminderter Drehzahl. Dieses Übersetzungs­ verhältnis richtet sich nach der Magnetkraft zwischen dem Permanentmagneten 33 und dem Läuferrad 34. Dabei spielen die Anzahl der Segmente des Permanentmagneten sowie der Ab­ stand zwischen diesem und dem Läuferrad 34 eine Rolle. Das Lüfterrad 32 rotiert ab einer bestimmten Drehzahl mit einer nahezu konstanten Drehzahl, unabhängig von der noch weiter steigenden Drehzahl der Antriebswelle 19. In diesem Fall sind Antriebskraft über den Wirbelstromeffekt und Lüfterradwiderstand gleich groß.

Die durch das Wirbelstromprinzip entstehende Wärme in dem Läuferrad 34 wird durch die Flügel 36 wieder abgeführt.

Bei eingeschalteter Magnetkupplung wird der Ankerring 16 an den Rotor 15 herangezogen und es steht eine kraftschlüs­ sige Verbindung. In diesem Fall rotiert das Lüfterrad 32 mit der Drehzahl der Antriebswelle 19.

Claims (4)

1. Elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung für das Lüfterrad eines Ventilators, insbesondere von Kraftfahr­ zeugverbrennungsmotoren, wobei das Lüfterrad bei abgeschalteter Reibscheibenkupplung durch eine zweite Kupplungsvorrichtung mitgeschleppt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kupplungsvorrichtung (33, 34, 35), als Wirbelstromkupplung ausgebildet ist, wobei eine Antriebswelle (19) mit einem vom Lüfterrad (32) kühlbaren, elektrisch leitenden Läuferrad (34) und das frei umlaufende Lüfterrad (32) mit einem Permanentmagneten (33) welchselnder Polarität verbunden ist.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Läuferrad (34) in dem dem Permanentmagneten (33) abgewandten Bereich Kühlrippen (36) aufweist.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Läuferrad (34) und dem Permanent­ magneten (33) variabel, insbesondere 0,1 bis 0,4 mm beträgt.

4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (33) aus einer zylindrischen Scheibe mit vier bis zehn Segmenten besteht.