DE69403158T2 - Magnetische Hysteresekupplung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hysterese- Magnetkupplung.
• Eine solche Kupplung umfaßt insbesondere einen Rotor, der ein ferromagnetisches Hysteresematerial trägt, und einen drehbaren magnetischen Induktor, der in dem ferromagnetischen Hysteresematerial des Rotors ein Magnetfeld induziert. Zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Hysteresematerial ist ein Luftspalt vorgesehen, so daß eine relative Drehung des magnetischen Induktors bezüglich des magnetischen Hysteresematerials ermöglicht wird. Die Kuppelung zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker erfolgt durch Magnetisierung und Entmagnetisierung des ferromagnetischen Hysteresematerials, das eine relative Drehung bezüglich des Magnetfeldes ausführt.
• Diese Hysterese-Magnetkupplungen werden verwendet, um in dem Fall, in dem ein wesentlicher Unterschied zwischen der Drehzahl der Eingangswelle und der Drehzahl der Ausgangswelle der Kupplung vorhanden ist, ein Drehmoment von einer Eingangswelle der Kupplung nach einer Ausgangswelle der Kupplung zu übertragen. Eine typische Anwendung dieser Hysterese-Magnetkupplungen wird bei einer Aufroll/Abroll-Vorrichtung gefunden, die ein Einholdrehmoment, und während des Auslegens ein Bremsdrehmoment liefert. Bei einer solchen Vorrichtung ist die Eingangswelle der Kupplung mit dem Antriebsmotor gekuppelt, der eine nahezu konstante Drehzahl hat. Die Ausgangswelle der Kupplung ist mit einer Aufroll/Abroll-Trommel gekuppelt. Die Drehzahl der Aufroll/Abroll-Trommel geht durch null hindurch, und die Wickelrichtung ändert sich, während die Drehzahl des Motors im wesentlichen konstant ist. Wenn die maximale Drehzahl der Ausgangswelle der Kupplung 50% der Drehzahl der Eingangswelle der Kupplung repräsentiert, nimmt sowohl während des Auslegevorgangs, als auch während des Einholvorgangs der Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker der Kupplung zwischen dem Einholvorgang und dem Auslegevorgang um 200% zu. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich die Ausgangswelle der Kupplung während des Einholvorgangs in der gleichen Richtung wie die Eingangswelle dreht, während sich die Ausgangswelle der Kupplung während des Auslegevorgangs in der zu der Drehrichtung der Eingangswelle entgegengesetzten Richtung dreht.
• Bei einer herkömmlichen Hysterese-Magnetkupplung nimmt das übertragene Drehmoment mit dem Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker zu. Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, daß das bezüglich des magnetischen Ankers rotierende Magnetfeld Wirbelströme in dem magnetischen Anker erzeugt, die die Kuppelung zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker erhöhen. Aufgrund der Patentanmeldung DE-A-2.139.009 ist bekannt, daß dieses Phänomen verstärkt wird, wenn der magnetische Anker mit einem Element ausgerüstet wird, das ein guter elektrischer Leiter ist. Dieses Element wird über dem ferromagnetischen Material des Rotors aufgebracht. Das übertragene Drehmoment der magnetischen Kupplung, das so erhalten wird, nimmt stark zu, wenn der Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker zunimmt.
• In dem europäischen Patent EP-A-0.269.535 wird eine Hysterese-Magnetkupplung beschrieben, bei der das übertragene Drehmoment mit dem Schlupf zwischen dem magnetischen Anker und dem magnetischen Induktor nur geringfügig zunimmt. Bei dieser Kupplung wird eine ferromagnetisches Hysteresematerial, das ein schlechter elektrischer Leiter ist, für den magnetischen Induktor verwendet, was zu einer Abnahme der Wirbelströme führt. Das ferromagnetische Hysteresematerial ist, genauer gesagt, eine gegossene Verbundpaste, die eine Grundmasse auf der Basis eines Harzes aufweist, in der Partikel aus einem magnetischen Hysteresematerial verteilt sind. Die Arbeitstemperatur dieses Verbundmaterials muß auf 100ºC begrenzt werden, um seine Zerstörung zu verhindern.
• Für einige Anwendungen wird jedoch empfohlen, eine Kupplung mit einer negativen Kennlinie zu verwenden, das heißt, eine Kupplung, bei der das übertragene Drehmoment abnimmt, wenn der Schlupf zunimmt. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Kupplung zu verwirklichen, bei der das übertragene Drehmoment umkehrbar abnimmt, wenn der Schlupf zunimmt.
• Dieses Ziel wird durch eine Hysterese-Magnetkupplung erreicht, die derart ausgelegt ist, daß eine Zunahme der Verluste in dem ferromagnetischen Material, die mit einer bestimmten Zunahme des Schlupfes verbunden ist, zu einer umkehrbaren Zunahme der Temperatur des ferromagnetischen Hysteresematerials führt, die ausreicht, um eine Abnahme des übertragenen Drehmomentes hervorzurufen.
• Der hauptsächliche Vorteil der Erfindung ist, daß Hysterese- Magnetkupplungen - die robuste, zuverlässige und relativ preiswerte Kupplungen sind - jetzt bei Anwendungen verwendet werden können, für die eine "negative Kennlinie" der Kupplung (das heißt, eine Abnahme des übertragenen Drehmomentes, wenn der Schlupf zunimmt) empfohlen wird. In der Tat, die neue Kupplung macht es nicht nur möglich, den Einfluß miglicher Wirbelströme auf die Kuppelung zwischen dem drehbaren magnetischen Induktor und dem Rotor, der das ferromagnetische Hysteresematerial trägt, zu kompensieren, sondern auch, eine umkehrbare Abnahme des übertragenen Drehmomentes zu erhalten, wenn der Schlupf zwischen dem Rotor und dem magnetischen Induktor zunimmt. Eine solche "negative Kennlinie" konnte bisher nur mit elektromagnetischen Kupplungen erreicht werden, die mit Systemen zur Regelung des Versorgungsstroms ausgerüstet waren, die sowohl kompliziert, als auch teuer sind.
• Um eine negative Kennlinie der Kupplung zu erhalten, wird bei der vorliegenden Erfindung auf raffinierte Weise eine bekannte Eigenschaft von ferromagnetischen Hysteresematerialien ausgenutzt, nämlich die Abnahme ihrer Magnetisierung in einem Magnetfeld, wenn ihre Temperatur zunimmt. Bei den meisten ferromagnetischen Materialien ist dieses Phänomen bei niedrigen Temperaturen ziemlich unbedeutend, aber wird in der Nähe des Curie-Punktes des ferromagnetischen Materials immer bedeutender. Weiterhin ist das übertragene Drehmoment ungefähr proportional zu der dritten Potenz der Magnetisierung des ferromagnetischen Materials in dem Magnetfeld des Induktors. Daraus folgt, daß einige ferromagnetische Materialien einen praktisch ausnutzbaren Temperaturbereich aufweisen, in dem eine kleine Temperaturzunahme eine beträchtliche Abnahme des übertragenen Drehmomentes hervorruft. Diese Abnahme des übertragenen Drehmomentes ist umkehrbar, mit anderen Worten, eine Temperaturabnahme ruft wieder eine beträchtliche Erhöhung des übertragenen Drehmomentes hervor. Das ferromagnetische Material muß natürlich eine maximale Arbeitstemperaturgrenze haben, die größer als die maximale Arbeitstemperatur ist, die notwendig ist, um die gewünschte Abnahme des übertragenen Drehmomentes hervorzurufen. Es ist auch bekannt, daß die in dem ferromagnetischen Hysteresematerial in Wärme umgewandelte Energie im wesentlichen proportional zu der Frequenz ist, mit der das Magnetfeld die Polarität ändert. Mit anderen Worten, die Temperatur des ferromagnetischen Hysteresematerials ist im wesentlichen proportional zu dem Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor und dem ferromagnetischen Hysteresematerial. Die Arbeitstemperatur des ferromagnetischen Hysteresematerials nimmt folglich von einer Temperatur t&sub1; auf eine Temperatur t&sub2; zu, wenn der Schlupf von V&sub1; auf V&sub2; zunimmt. Um die gewünschte Abnahme des Drehmomentes zu erhalten, ist es erforderlich, eine geeignete Positionierung der Arbeitstemperaturen t&sub1; und t&sub2; in dem Arbeitsbereich des ferromagnetischen Hysteresematerials vorzunehmen. Diese Positionierung kann erreicht werden durch Einwirkung auf eine große Anzahl von Parametern, wie zum Beispiel: die Geometrie und die Abmessungen des ferromagnetischen Materials, die Intensität seiner Kühlung, die Stärke des Magnetfeldes, die Anzahl der Polaritätsumkehrungen des um den magnetischen Induktor herum vorhandenen Magnetfeldes, die Dicke des Luftspaltes, usw. Weiterhin sollte die thermische Trägheit der Kupplung so niedrig wie möglich sein, um eine rasche Erwärmung und Abkühlung des ferromagnetischen Materials zu ermöglichen. Der Einfluß der verschiedenen Parameter auf den Kupplungsentwurf wird entweder experimentell, oder mit Hilfe eines rechnergestützten Modells der Kupplung kontrolliert.
• Das ferromagnetische Material ist vorzugsweise ein Material mit einem hohen spezifischen Widerstand. Auf diese Weise haben die Wirbelströme, die in dem ferromagnetischen Material erzeugt werden, eine geringe Stärke. Dies hat zur Folge, daß nur eine sehr kleine Zunahme des übertragenen Drehmomentes kompensiert werden muß, wenn der Schlupf zunimmt. Danach ist ein kleinerer Temperaturanstieg in dem Gebiet des ferromagnetischen Materials ausreichend, um die gewünschte Abnahme des übertragenen Drehmomentes zu erhalten.
• Ausgezeichnete Ergebnisse werden erhalten, wenn ein gesintertes Material, das auf elektrisch isolierten ferromagnetischen Metallpulvern basiert, als ferromagnetisches Material verwendet wird. Es wird geschätzt werden, daß diese gesinterten Materialien bessere magnetische Eigenschaften und eine höhere Arbeitstemperatur haben als die Verbundmaterialien, die in einem Harz verteilte ferromagnetische Partikel aufweisen.
• Das erfinderische Konzept der vorliegenden Erfindung ist sowohl bei einer Hysterese-Magnetkupplung mit einem radialen Luftspalt, als auch bei einer Hysterese-Magnetkupplung mit einem axialen Luftspalt zwischen dem drehbaren magnetischen Induktor und dem ferromagnetischen Hysteresematerial anwendbar. In der Praxis wurde jedoch festgestellt, daß eine Kupplung mit einem radialen Luftspalt gegenüber einer Kupplung mit einem axialen Luftspalt viele Vorteile hat. In diesem Zusammenhang ist es auch wichtig, anzumerken, daß die Hysterese-Magnetkupplungen mit einem radialen Luftspalt nach dem Stand der Technik kaum bekannt sind. Es wird daher geschätzt werden, daß wertvolle technische Erkenntnisse auf dem Gebiet der Magnetkupplungen mit einem radialen Luftspalt zu dem Stand der Technik hinzugefügt werden.
• Die vorgeschlagene Kupplung mit einem radialen Luftspalt weist in vorteilhafter Weise einen magnetischen Induktor auf, der aus einer Vielzahl von auf einer Welle angebrachten Rädern besteht, wobei jedes dieser Räder auf einem peripheren radialen Ring eine Vielzahl von Permanentmagneten trägt. Diese Ausführung bietet unter anderem eine zusätzliche Möglichkeit zur Anpassung und Einstellung der Kupplung durch Änderung der Anzahl der verwendeten Induktorräder.
• Das ferromagnetische Hysteresematerial des Rotors wird in diesem Fall in vorteilhafter Weise über eine Vielzahl von Ringen verteilt, die axial voneinander getrennt sind. Jeder dieser Ringe umgibt eines der Räder, wodurch er mit diesem Rad einen radialen Luftspalt definiert. Diese Ausführungsform macht es möglich, infolge der geringen Masse der einzelnen Ringe eine bessere Kontrolle der Temperaturänderung, der das ferromagnetische Material unterworfen wird, zu erreichen. Eine optimal kontrollierte Kühlung des Rotors, der diese ferromagnetischen Ringe trägt, wird durch in der Längsrichtung verlaufende Rotor-Kühlrippen erreicht.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die radiale Überdeckung zwischen einigen oder allen magnetischen Induktorrädern und den zugehörigen ferromagnetischen Ringen durch Änderung ihrer axialen Ausrichtung eingestellt werden. Dieses Merkmal ermöglicht, das übertragene Drehmoment fein einzustellen.
• Vorzugsweise trägt jedes der Räder des magnetischen Induktors eine große Anzahl von kleinen Magneten, die eine Poloberfläche in der Größenordnung von nur einigen zehn Quadratmillimetern haben. Daher ist es möglich, das Magnetfeld genau zu optimieren, um die für die Kupplung gewählten Entwurfskriterien (z.B. Stärke des Magnetfeldes, Anzahl der Umkehrungen der magnetischen Polarität pro Ring) zu erfüllen.
• Dabei ist anzumerken, daß die Kupplung in vorteilhafter Weise derart ausgelegt wird, daß beim Erwärmen ihrer Permanentmagnete bei kontinuierlichem Betriebsmodus gleichzeitig die Räder erwärmt werden, die diese Permanentmagnete tragen. Die Räder sollen dabei derart ausgelegt sein, daß die sich ergebende Zunahme ihres Durchmessers eine Abnahme des von den Permanentmagneten erzeugten Feldes durch eine Verkleinerung des Luftspaltes automatisch kompensiert. Dies hat zur Folge, daß die Erwärmung der Kupplung während des kontinuierlichen Betriebs den Wert des übertragenen Drehmomentes überhaupt nicht, oder nur geringfügig beeinflußt. Um eine thermische Expansion der Ringe, die eine zusätzliche Abnahme des übertragenen Drehmomentes hervorrufen würde, zu verhindern, sind diese Ringe in vorteilhafter Weise in ringförmige Segmente aufgeteilt. Diese ringförmigen Segmente sind über den Umfang durch Schlitze getrennt, die ihre freie thermische Expansion ohne große Veränderung des inneren Durchmessers der aufgeteilten Ringe ermöglichen. Dabei ist jedoch anzumerken, daß es bei manchen Anwendungen vorteilhaft sein kann, eine radiale thermische Expansion der ferromagnetischen Ringe zuzulassen. Eine solche radiale Expansion bewirkt eine Zunahme des radialen Luftspaltes, was zu einer zusätzlichen Abnahme des übertragenen Drehmomentes führt, wenn der Schlupf zunimmt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch eine Aufroll/Abroll-Vorrichtung (bzw. eine Aufwickel/Abwickel-Vorrichtung) verwirklicht, die einen Antriebsmotor und eine Aufroll/Abroll-Trommel (bzw. eine Aufwickel/Abwickel-Trommel) aufweist. Diese Vorrichtung ist durch eine erfindungsgemäße Hysterese-Magnetkupplung gekennzeichnet. Der magnetische Induktor dieser Kupplung ist mit der Aufroll/Abroll-Trommel gekuppelt, und der Rotor, der das ferromagnetische Hysteresematerial trägt, ist mit dem Antriebsmotor gekuppelt. Diese Vorrichtung zeichnet sich in vorteilhafter Weise dadurch aus, daß das Einholdrehmoment größer ist als das während des Auslegevorgangs entwickelte Bremsdrehmoment. Die Kuppelung des Rotors, der das ferromagnetische Hysteresematerial trägt, mit dem Antriebsmotor ergibt eine optimale konstante Kühlung des ferromagnetischen Hysteresematerials, weil der Rotor auf diese Weise eine hohe und nahezu konstante Drehzahl hat.
• Diese Aufroll/Abroll-Vorrichtung wird in vorteilhafter Weise mit einem zwischen dem Rotor und der Aufroll/Abroll-Trommel angeschlossenen Drehzahlminderer oder Untersetzungsgetriebe ausgerüstet. Der Zweck dieses Drehzahlminderers ist, sowohl den maximalen Schlupf während des Auslegevorgangs, als auch die Änderung des Schlupfes zwischen dem Einholvorgang und dem Auslegevorgang zu verringern. Es wird geschätzt werden, daß bei einer Kupplung der vorliegenden Erfindung das Untersetzungsverhältnis dieses Drehzahlminderers verringert werden kann, da eine Zunahme des Schlupfes nicht mehr zu einer Zunahme des übertragenen Drehmomentes führt. Außerdem wird gezeigt werden, daß der Effekt des Wirkungsgrades des Drehzahlminderers auf die Kennlinie der Aufroll/Abroll-Vorrichtung durch die negative Kennlinie der Kupplung kompensiert wird.
• Es bleibt jedoch anzumerken, daß die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kupplung nicht auf eine Aufroll/Abroll- bzw. Aufwickel/Abwickel-Vorrichtung begrenzt ist. Ihre Eigenschaften, insbesondere ihre "negative Kennlinie" werden bei vielen anderen Verwendungen geschätzt werden.
• Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung einer typischen Anwendung und von bevorzugten Ausführungsformen auf der Grundlage der beigefügten Figuren, die Folgendes darstellen:
• - Die Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Aufroll/Abroll- Vorrichtung für ein elektrisches Stromkabel, mit dem ein Portalkran ausgerüstet ist.
• - Die Figur 2 ist ein Diagramm, das für eine Hysterese- Magnetkupplung des Standes der Technik die Abhängigkeit des übertragenen Drehmomentes von dem Schlupf wiedergibt.
• - Die Figur 3 ist ein ähnliches Diagramm wie die Figur 2, das für die Hysterese-Magnetkupplung der vorliegenden Erfindung die typische Abhängigkeit des übertragenen Drehmomentes von dem Schlupf wiedergibt.
• - Die Figur 4 ist ein Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hysterese-Magnetkupplung.
• - Die Figur 5 ist ein Querschnitt der gleichen Kupplung wie in der Figur 4.
• - Die Figur 6 ist ein Detail des Längsschnitts der Kupplung der Figur 4.
• - Die Figur 7 ist eine Detailansicht eines magnetischen Induktorrades der Kupplung der Figur 4.
• - Die Figur 8 ist ein Längsschnitt einer speziellen Ausführungsform der Hysterese-Magnetkupplung der Figur 4.
• - Die Figur 9 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Magnetisierung des ferromagnetischen Hysteresematerials wiedergibt.
• - Die Figur 10 ist ein Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hysterese-Magnetkupplung.
• Um die Dinge klarer und leichter verständlich zu machen, wird zuerst zur Veranschaulichung eine Beschreibung eines Beispiels einer typischen Anwendung einer erfindungsgemäßen Kupplung wiedergegeben. Die Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Aufroll/Abroll-Vorrichtung 10, mit der ein Portalkran oder Turmkran 12 ausgerüstet ist. Die Funktion dieser Aufroll/Abroll-Vorrichtung 10 ist, ein elektrisches Stromkabel 14 einzuholen bzw. auszulegen, während der Portalkran sich auf einem Gleisabschnitt zwischen zwei entgegengesetzten Endpositionen bewegt. Ein Ende des Kabels 14 ist bei einem festen Punkt 16, der meistens in einer mittleren Position zwischen den zwei Endpositionen angeordnet ist, an dem Erdboden befestigt. Das andere Ende des Kabels 14 ist auf eine Aufroll/Abroll- Trommel 18 aufgewickelt, die an dem beweglichen Portalkran 12 befestigt ist. Die Kennziffer 20 bezeichnet einen in dem Erdboden angebrachten Kanal, in den das Kabel 14 gelegt wird, wenn es von der Aufroll/Abroll-Trommel 18 abgewickelt wird. Die Aufroll/Abroll- Vorrichtung 10 weist außerhalb der Aufroll/Abroll-Trommel 18 einen Antriebsmotor 22, eine Hysterese-Magnetkupplung 24, und meistens einen Drehzahlminderer 25 auf. Der Motor 22, meistens ein asynchroner Drehstrommotor, der sich zum Beispiel mit einer Drehzahl von 1440 Upm dreht, ist mit einer Eingangswelle 26 der Hysterese-Magnetkupplung 24 gekuppelt. Eine Ausgangswelle 28 der Hysterese-Magnetkupplung 24 ist über den Drehzahlminderer 25 mit der Aufroll/Abroll-Trommel 18 gekuppelt.
• Wenn sich der Portalkran 12 von seiner mittleren Position in Richtung einer seiner zwei Endpositionen bewegt, wird das Kabel 14 durch die Aufroll/Abroll-Trommel 18 abgewickelt, um in den Kanal 20 gelegt zu werden. Die Aufroll/Abroll-Vorrichtung 10 muß während dieses Vorgangs ein Bremsdrehmoment erzeugen, das das Kabel 14 beim Abwickeln unter einer mechanischen Spannung hält. Dabei ist anzumerken, daß die Drehrichtung der Aufroll/Abroll-Trommel 18 während des Auslegevorgangs entgegengesetzt zu derjenigen des Motors 22 ist.
• Wenn der Portalkran 12 zu seiner mittleren Position zurückkehrt, wird das Kabel 14 auf die Aufroll/Abroll-Trommel 18 aufgewickelt. Die Aufroll/Abroll-Vorrichtung 10 muß nun ein Arbeitsdrehmoment erzeugen, das ausreicht, um das Kabel 14 aus seinem Kanal 16 herauszunehmen, hochzuheben, und auf die Aufroll/Abroll-Trommel 18 aufzuwickeln. Dabei ist anzumerken, daß während des Einholvorgangs die Drehrichtung der Aufroll/Abroll- Trommel 18 die gleiche wie diejenige des Motors 22 ist.
• Wenn sich der Portalkran 12 nicht mehr bewegt, muß die Aufroll/Abroll-Vorrichtung 10 ebenfalls ein Drehmoment liefern, um die Aufroll/Abroll-Trommel 18 zu bremsen, damit das Kabel 14 unter einer mechanischen Spannung gehalten wird. Dabei ist anzumerken, daß sich die Aufroll/Abroll-Trommel 18 nicht mehr dreht, während sich der Motor 22 immer noch mit seiner Nenndrehzahl von zum Beispiel 1440 Upm dreht.
• Die Figur 2 stellt das Verhalten einer Hysterese- Magnetkupplung 24 des Standes der Technik bei der Aufroll/Abroll- Vorrichtung 10 der Figur 1 graphisch dar. Auf der Abszisse ist der Schlupf (d.h. die relative Drehzahl) zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker einer solchen Kupplung 24 aufgetragen, und auf der Ordinate ist das Drehmoment am Ausgang der Kupplung 24 aufgetragen. Der Schlupf V&sub0; entspricht dem Fall, in dem sich die Ausgangswelle 28 nicht mehr dreht, während sich der Motor immer noch mit seiner Nenndrehzahl dreht. Dies ist die Situation, in der sich der Portalkran 12 nicht mehr bewegt. Schlupfwerte unter V&sub0; entsprechen Situationen, in denen sich die Ausgangswelle 28 in der gleichen Richtung wie der Motor 22 dreht. Dies ist der Fall beim Einholen des Kabels 14. Schlupfwerte über V&sub0; entsprechen Situationen, in denen sich die Ausgangswelle 28 in der zu der Drehrichtung des Motors 22 entgegengesetzten Richtung dreht. Dies ist der Fall beim Auslegen des Kabels 14.
• Die Kurve (1', 2') gibt die theoretische Kennlinie der Hysterese- Magnetkupplung wieder. Das zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker übertragene Drehmoment ist unabhängig von dem dazwischen vorhandenen Schlupf. In der Praxis wird jedoch gefunden, daß das zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker übertragene Drehmoment mit dem Schlupf zunimmt (siehe die Kurve (1, 2)). Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, daß der magnetische Induktor, der sich relativ zu dem magnetischen Anker dreht, in dem ferromagnetischen Hysteresematerial des magnetischen Ankers Wirbelströme erzeugt, die die Kuppelung zwischen dem magnetischen Anker und dem magnetischen Induktor verstärken. In der Figur 2 ist zu sehen, daß das während des Einholens des Kabels 14 übertragene Drehmoment CT&sub1; wesentlich kleiner ist als das während des Auslegens des Kabels 14 übertragene Drehmoment CT&sub2;.
• Wenn die minimale Zugkraft, die bei der Aufroll/Abroll- Trommel 18 auf das Kabel wirken muß, um es aus dem Kanal 20 herauszuziehen, wieder hochzuheben, und auf die Aufroll/Abroll- Trommel 18 aufzuwickeln, mit T(MIN) bezeichnet wird, ergibt sich für das minimale Drehmoment, das die Ausgangswelle 28 der Kupplung 24 benötigt, um T(MIN) hervorzurufen:
• CT&sub1; = (D&sub2;/2)*T(MIN)*(r/n) (1)
• wobei:
• D&sub2; der äußere Durchmesser der Aufroll/Abroll-Trommel 18 ist;
• n der Wirkungsgrad des Drehzahlminderers 25 ist;
• r das Untersetzungsverhältnis des Drehzahlminderers 25 ist.
• Die bei der Aufroll/Abroll-Trommel 18 auf das Kabel 14 wirkende Zugkraft erreicht ein Maximum, wenn sich der Vorgang zum Einholen des Kabels 14 seinem Ende nähert, das heißt, wenn die Drehzahl zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker bei einem Maximum ist. Wenn diese Zugkraft als eine Funktion des Bremsdrehmomentes CT&sub2; an der Ausgangswelle 28 der Kupplung 24 ausgedrückt wird, ergibt sich:
• T(MAX) = (2/D&sub1;)*CT&sub2;*(1/r)*(1/n) (2)
• wobei:
• D&sub1; der innere Durchmesser der Aufroll/Abroll-Trommel 18 ist.
• Aus (1) und (2) ergibt sich:
• T(MAX) = (D&sub2;/D&sub1;)*(CT&sub2;/CT&sub1;)*(1/n²)*T(MIN) (3)
• Bei dieser Gleichung (3) kann zum Beispiel angenommen werden: (D&sub2;/D&sub1;)=3; n=0,9; wobei sich ergibt:
• T(MAX) = 3,7*(CT&sub2;/CT&sub1;)*T(MIN) (4)
• Ohne irgendwelche Vorsichtsmaßnahmen, um Wirbelströme in dem ferromagnetischen Hysteresematerial zu verhindern, wird das Verhalten durch die Kurve (1, 2) der Figur 2 beschrieben. CT&sub2; ist um ungefähr 100% größer als CT&sub1;, das heißt, T(MAX) ist ungefähr 7,4- mal so groß wie T(MIN).
• Wenn geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um Wirbelströme in dem ferromagnetischen Hysteresematerial zu verhindern, ist es natürlich möglich, das Verhalten der Kupplung des Standes der Technik an das Verhalten anzunähern, das durch die theoretische Kurve (1', 2') in dem Diagramm der Figur 2 beschrieben wird. Aber selbst in diesem Fall, wo CT&sub1; im wesentlichen gleich CT&sub2; ist, ist T(MAX) noch 3,7-mal so groß wie T(MIN).
• In funktionaler Hinsicht gibt es bei der Aufroll/Abroll- Vorrichtung 10 jedoch keinen Grund, eine Zugkraft zu haben, die größer als T(MIN) ist. Bei mechanischem Entwurf des Kabels ist es natürlich notwendig, T(MAX) und nicht T(MIN) zu berücksichtigen, was zu einer nennenswerten mechanischen Überdimensionierung des Kabels 14 führt.
• Die Figuren 4 bis 7 geben Konstruktionsdetails einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hysterese- Magnetkupplung wieder. Die Figur 4 zeigt, daß die Eingangswelle 26 und die Ausgangswelle 28 in einem Rahmen 50 koaxial getragen werden, zum Beispiel mittels Wälzlagern 52 und 54. Die Eingangswelle 26 ist an einem magnetischen Anker 56 starr befestigt, während die Ausgangswelle 28 an einem magnetischen Induktor 58 starr befestigt ist.
• Der magnetische Induktor 58 weist eine Vielzahl von Rädern 60, 61, 62, 63 auf, die alle an der Ausgangswelle 28 starr befestigt sind, so daß sie ein Drehmoment auf die Ausgangswelle 28 übertragen können. Jedes dieser Räder 60, 61, 62, 63 ist mit einem peripheren Ring 64 ausgerüstet (siehe Figur 6), der Permanentmagnete 66 trägt, die ein Magnetfeld erzeugen. Anstatt eine relativ kleine Anzahl von Permanentmagneten mit einer großen Poloberfläche (zum Beispiel AlNiCo-Magnete) zu verwenden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine große Anzahl von kleinen Permanentmagneten mit großer magnetischer Dichte zu verwenden, die eine kleine Poloberfläche (zum Beispiel in der Größenordnung von 50 bis 100 mm²) haben. Dabei ist anzumerken, daß jedes Rad des magnetischen Induktors 58 zum Beispiel mehr als hundert kleine Permanentmagnete 66 umfassen kann. In der Figur 7, die eine Ansicht des peripheren Rings 64 eines Rades 60 des magnetischen Induktors wiedergibt, ist zu sehen, daß die Permanentmagnete 66 als zylindrische Stäbchen ausgebildet sind, die einfach in blinde Bohrungen 68, die in dem peripheren Ring 64 angebracht sind, eingesetzt sind. Die Permanentmagnet-"Stäbchen" 66 werden in diesen blinden Bohrungen 68 durch magnetische Anziehung festgehalten.
• Die Nebeneinanderanordnung einer großen Anzahl von Permanentmagneten 66 mit einer kleinen Poloberfläche macht es möglich - zum Beispiel durch Änderung der Polarität der nach außen gerichteten Poloberflächen und der Stärke der einzelnen Magnete und ihrer Anordnung auf dem peripheren Ring 64 - das um ein Rad 60 des magnetischen Induktors 58 herum erzeugte Magnetfeld fein abzustimmen. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird es zu schätzen wissen, daß ihm ein einfaches Mittel zur Optimierung des Magnetfeldes zur Verfügung steht.
• Der magnetische Anker 56 weist einen äußeren Rotor 70 auf, der den magnetischen Induktor 58 umgibt. Dieser äußere Rotor 70 ist an einer Seite der Eingangswelle 26 starr befestigt, so daß er ein Drehmoment von der Eingangswelle 26 aufnehmen kann. Auf der axial entgegengesetzten Seite liegt der äußere Rotor 70, in vorteilhafter Weise über ein Wälzlager 72, auf der Ausgangswelle 28 auf. Außerdem wird die Ausgangswelle 28 bei ihrem freien Ende in vorteilhafter Weise in einem Wälzlager 74 getragen, das auf der Seite, die der Eingangswelle 26 gegenüberliegt, in den äußeren Rotor 70 integriert ist. Rippen 76 erstrecken sich in der axialen Richtung längs der äußeren peripheren Oberfläche des äußeren Rotors 70, wobei sie den äußeren Rotor 70 wirksam kühlen (siehe Figur 5).
• Der äußere Rotor 70 dient zum Tragen des ferromagnetischen Hysteresematerials. Das ferromagnetische Hysteresematerial umgibt die peripheren Ringe 64 der Räder 60, 61, 62, 63 des magnetischen Induktors 58 ringförmig, wodurch ein radialer Zwischenraum oder Luftspalt 78 zwischen dem ferromagnetischen Hysteresematerial und den Permanentmagneten 66 definiert wird (siehe Figur 6). Zur Veranschaulichung kann angemerkt werden, daß dieser radiale Zwischenraum 78 zum Beispiel einige Zehntelmillimeter betragen kann.
• In den Figuren 4 und 6 ist ein getrennter Ring 80, 81, 82, 83 aus ferromagnetischem Hysteresematerial mit jedem Rad 60, 61, 62, 63 des magnetischen Induktors kombiniert. Jeder dieser Ringe 80, 81, 82, 83 kann aus einem einzigen Stück bestehen, oder in ringförmige Segmente unterteilt sein, die zum Beispiel durch Kleben in einer Rille 84 der inneren Wand des äußeren Rotors 70 einzeln befestigt sind.
• Das verwendete ferromagnetische Hysteresematerial ist vorzugsweise ein gesintertes Material, das Metalloxidpulver aufweist, die elektrisch isoliert sind. Das so erhaltene Material hat einen hohen isotropen elektrischen Widerstand, der die Erzeugung von Wirbelströmen in dem magnetischen Anker wirksam verhindert. Außerdem sind seine magnetischen Eigenschaften ausgezeichnet, und seine Arbeitstemperatur ist relativ hoch. Um ein ähnliches Ergebnis zu erhalten, wäre es jedoch auch möglich, ein fein laminiertes Material zu verwenden, bei dem Bleche aus ferromagnetischem Hysteresematerial durch einen dielektrischen Film voneinander getrennt sind. Das Verhalten des ferromagnetischen Materials in einem Magnetfeld bei Temperaturveränderungen wird weiter unten analysiert werden.
• Ein wichtiges Merkmal dieser Magnetkupplung besteht in ihrem thermischen Entwurf. Das in dem ferromagnetischen Hysteresematerial induzierte, variable Magnetfeld erzeugt darin eine Erwärmung, die proportional zu der Frequenz ist, mit der sich das Magnetfeld ändert, und daher proportional zu dem Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor 58 und dem magnetischen Anker 56 ist. Je mehr der Schlupf zunimmt, desto mehr nimmt die in dem ferromagnetischen Hysteresematerial freigesetzte Wärmeenergie zu.
• Die Figur 9 gibt das typische Verhalten des übertragenen Drehmomentes CT als Funktion der Temperatur des ferromagnetischen Hysteresematerials in einem Magnetfeld wieder. Es wird gefunden, daß bei dem verwendeten ferromagnetischen Material das übertragene Drehmoment CT zuerst langsam abnimmt, wenn die Temperatur t zunimmt, wie bei dem Abschnitt [A-B] der Kurve gezeigt ist. In diesem Abschnitt [A-B] arbeiten die Hysterese- Magnetkupplungen des Standes der Technik. Dabei ist anzumerken, daß die temperaturabhängige Abnahme des übertragenen Drehmomentes in diesem Abschnitt [A-B] viel zu klein ist, um in der Praxis bemerkt zu werden (sie wird in der Tat durch andere Phänomene, die eine Zunahme des übertragenen Drehmomentes hervorrufen, wie z.B. Wirbelströme, verdeckt). In dem Abschnitt [B-C] der Kurve ergibt sich jedoch eine ausgeprägte Abhängigkeit des übertragenen Drehmomentes CT von der Temperatur t des ferromagnetischen Hysteresematerials. Nach dem Punkt C fällt die Kurve sehr steil bis zu dem Punkt D ab, der den Curie-Punkt des ferromagnetischen Hysteresematerials repräsentiert, das heißt, die Temperatur, bei der die Magnetisierung des dem Magnetfeld unterworfenen Materials null wird, und bei der das ferromagnetische Verhalten des Materials durch ein paramagnetisches Verhalten ersetzt wird. Nur als Beispiel möchten wir erwähnen, daß bei einem ferromagnetischen Material, das bei einem Prototyp der Kupplung verwendet wurde, eine 50-prozentige Abnahme des übertragenen Drehmomentes bei einer Temperaturzunahme des ferromagnetischen Materials von weniger als 200ºC beobachtet wurde.
• Der thermische Entwurf der Hysterese-Magnetkupplung wird daher so verwirklicht, daß die minimale Temperatur t&sub1; und die maximale Temperatur t&sub2; des ferromagnetischen Hysteresematerials auf der Kurve CT(t) einen Arbeitsabschnitt [P&sub1;, P&sub2;] definieren, der vollständig innerhalb des Intervalls [B-C] liegt, das der Arbeitsbereich genannt wird. Dabei wird daran erinnert, daß der Punkt P&sub1; der Situation entspricht, in der der Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor 58 und dem magnetischen Anker 56 bei einem Minimum ist, während der Punkt P&sub2; der Situation entspricht, in der der Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor 58 und dem magnetischen Anker 56 bei einem Maximum ist.
• Um diesen thermischen Entwurf der Kupplung zu verwirklichen, können zum Beispiel ein oder mehrere der folgenden Parameter geändert werden: die physikalischen Eigenschaften des ferromagnetischen Hysteresematerials (thermische Leitfähigkeit, Curie-Punkt, Dichte, usw.); die Dicke der Ringe 80, 81, 82, 83; der Wärmeübergang zwischen den Ringen 80, 81, 82, 83 und dem äußeren Rotor 70 (eventuell Verwendung einer dazwischen angeordneten thermischen Isolierung); der Entwurf des äußeren Rotors 70 (Materialien, Abmessungen der Rippen 76, usw.); die Antriebsdrehzahl des äußeren Rotors 70; die radiale Abmessung des Luftspaltes 78; die Stärke des durch die Permanentmagneten 66 erzeugten Feldes; die Anzahl der Umkehrungen der Polarität des Magnetfeldes, das jedes Rad 60, 61, 62, 63 des magnetischen Induktors 58 umgibt; usw.
• Was die Wahl des ferromagnetischen Hysteresematerials betrifft, so sollte beachtet werden, daß die Arbeitstemperaturgrenze dieses Materials größer sein muß als die Temperatur tc, die dem Punkt C auf der Kurve der Figur 9 entspricht.
• Die Figur 3 gibt in einem ähnlichen Diagramm wie in der Figur 2 das Verhalten einer erfindungsgemäßen Magnetkupplung bei der Aufroll/Abroll-Vorrichtung der Figur 1 wieder. Wenn der Portalkran 12 sich nicht mehr bewegt, ist der Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor 58 und dem Anker 56 gleich V&sub0;, und das Bremsdrehmoment gleich CT&sub0;. Diese Situation entspricht dem Punkt 0 in dem Diagramm, wobei die Betriebstemperatur des ferromagnetischen Hysteresematerials t&sub0; ist. Wenn das Kabel 14 abgewickelt wird, nimmt der Schlupf von V&sub0; auf V&sub2; zu. Das Bremsdrehmoment bleibt konstant, zumindest anfänglich, da in dem ferromagnetischen Hysteresematerial keine Wirbelströme erzeugt werden. Der Betriebspunkt bewegt sich von dem Punkt 0 nach dem Punkt 02. Die Zunahme des Schlupfes von V&sub0; auf V&sub2; bewirkt jedoch, daß sich das ferromagnetische Hysteresematerial von der Temperatur t&sub0; auf die Temperatur t&sub2; erwärmt; das heißt, in dem Diagramm der Figur 9 erfolgt ein Übergang von dem Punkt P&sub0; nach dem Punkt P&sub2;. Dies hat eine Abnahme der Magnetisierung des ferromagnetischen Hysteresematerials zur Folge, die sich durch eine Abnahme des Bremsdrehmomentes von CT&sub0; auf CT&sub2; äußert. In der Figur 3 geht der Arbeitspunkt von dem Punkt 02 nach dem Punkt 2 über. Wenn die aus ferromagnetischen Hysteresematerialien bestehenden Elemente eine relativ kleine Masse haben, wie bei der Kupplung der Figuren 4 bis 7 der Fall ist, erfolgt der Übergang von ihrer Betriebstemperatur t&sub0; nach der Temperatur t&sub2; rasch, wobei er kaum mehr als einige zehn Sekunden (typisch 20 Sekunden bei einer Prototyp-Kupplung) erfordert.
• Wenn der Portalkran 14 angehalten wird, nimmt der Schlupf von V&sub2; auf V&sub0; ab, das heißt, der Betriebspunkt geht in der Figur 3 von dem Punkt 2 nach dem Punkt 20 über. Gleichzeitig nehmen die durch die Hysterese hervorgerufenen Verluste in dem magnetischen Anker ab, und die Betriebstemperatur des ferromagnetischen Hysteresematerials fällt von t&sub2; auf t&sub0; ab. Dies hat eine Zunahme der Magnetisierung des ferromagnetischen Hysteresematerials, und folglich eine Zunahme des Bremsdrehmomentes von CT&sub2; auf CT&sub0; in der Figur 9 zur Folge, wodurch zu dem Ausgangspunkt 0 in dem Diagramm der Figur 3 zurückgekehrt wird.
• Wenn das Kabel 14 aufgewickelt wird, nimmt der Schlupf von V&sub0; auf V&sub1; ab. Das am Ausgang der Magnetkupplung entwickelte Einholdrehmoment bleibt konstant, zumindest während der ersten Sekunden, da in dem ferromagnetischen Hysteresematerial keine Wirbelströme erzeugt werden. Der Betriebspunkt bewegt sich in der Figur 3 von dem Punkt 0 nach dem Punkt 01. Die Abnahme des Schlupfes von V&sub0; auf V&sub1; ruft jedoch eine Abnahme der durch den Hystereseeffekt in dem ferromagnetischen Hysteresematerial freigesetzten Energie hervor. Dies hat eine rasche Abnahme der Betriebstemperatur des ferromagnetischen Hysteresematerials von t&sub0; auf t&sub1;, und daher eine rasche Zunahme der Magnetisierung, und folglich eine Zunahme des an dem Ausgang der Magnetkupplung 24 entwickelten Drehmomentes von CT&sub0; auf CT&sub1; in der Figur 9 zur Folge. In dem Diagramm der Figur 3 entspricht dies dem Übergang von dem Punkt 01 nach dem Punkt 1.
• Wenn der Portalkran 14 angehalten wird, nimmt der Schlupf wieder von V&sub1; auf V&sub0; zu, das heißt, der Betriebspunkt geht von dem Punkt 1 nach dem Punkt 10 über. Gleichzeitig nehmen die durch die Hysterese hervorgerufenen Verluste in dem magnetischen Anker zu, und die Betriebstemperatur des ferromagnetischen Hysteresematerials steigt wieder von t&sub1; auf t&sub0; an. Dies hat eine Abnahme der Magnetisierung des ferromagnetischen Hysteresematerials, und folglich eine Abnahme des an dem Ausgang der Kupplung 24 entwickelten Drehmomentes zur Folge. Dies entspricht in dem Diagramm der Figur 3 der Rückkehr zu dem Ausgangspunkt 0.
• Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Kupplung durch eine Ausgangsdrehmoment gekennzeichnet ist, das abnimmt, wenn der Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker zunimmt. Mit anderen Worten, das Aufwickel- oder Einholdrehmoment ist immer größer als das Brems- oder Auslegedrehmoment.
• In der weiter oben angegebenen Gleichung (4) ist das Verhältnis CT&sub2;/CT&sub1; jetzt kleiner als eins, wobei dies natürlich den Unterschied zwischen T(MAX) und T(MIN) verringert. Dies hat zur Folge, daß die mechanische Festigkeit des Stromkabels 14 bei der Aufroll/Abroll-Vorrichtung 10 der Figur 1 bei einer Hysterese- Magnetkupplung der vorliegenden Erfindung kleiner sein kann als bei einer Kupplung des Standes der Technik.
• Da bei einer erfindungsgemäßen Kupplung das übertragene Drehmoment CT abnimmt, wenn der Schlupf zunimmt, ist es möglich, größere Schlupfwerte zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker zuzulassen. Dies kann darauf hinauslaufen, daß der Drehzahlminderer 25 ein kleineres Untersetzungsverhältnis hat und/oder der Motor 22 eine höhere Drehzahl hat.
• Die Figur 10 gibt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetkupplung wieder. Die Anordnung der Eingangswelle 26 und der Ausgangswelle 28 ist im Prinzip die gleiche wie in der Figur 4 und wird nicht ausführlicher beschrieben. Der magnetische Induktor 158 weist eine Scheibe 160 auf, die an der Ausgangswelle 28 starr befestigt ist, so daß ein Drehmoment auf die Ausgangswelle 28 übertragen werden kann. Diese Scheibe ist auf ihren zwei einander gegenüberliegenden Flächen mit Permanentmagneten 166 versehen. Diese Permanentmagnete 166 sind zum Beispiel AlNiCo-Magnete, und daher ziemlich sperrig. Es wäre jedoch auch möglich, kleine Permanentmagnete mit einer größeren magnetischen Dichte zu verwenden, wie diejenigen, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform der Figur 4 beschrieben wurden.
• Der magnetische Anker 156 weist einen äußeren Rotor 170 auf, der den magnetischen Induktor 158 umgibt. Dieser äußere Rotor 170 ist an der Eingangswelle 26 starr befestigt, so daß er ein Drehmoment von der Eingangswelle 26 aufnehmen kann. Platten 180, die aus einem ferromagnetischen Hysteresematerial bestehen, das wie oben beschrieben ausgewählt wird, sind auf jeder der zwei Stirnseiten des äußeren Rotors 170 derart angebracht, daß sie den zwei Flächen der Scheibe 166, die die Permanentmagnete 166 tragen, axial gegenüberliegen. Zwischen den Magneten 166 und den ihnen gegenüberliegenden Platten 180 ist ein axialer Zwischenraum vorhanden, der sicherstellt, daß sich die Magnete 166 bezüglich der Platten 180 frei drehen. Wie in dem Fall der Figur 4 wird dann der thermische Entwurf der vorgeschlagenen Magnetkupplung derart verwirklicht, daß die Betriebstemperatur t&sub1; der Platten 180, die einem minimalen Schlupf V&sub1; entspricht, und die Betriebstemperatur t&sub2;, die einem maximalen Schlupf V&sub2; entspricht, einen Arbeitsabschnitt [P&sub1;-P&sub2;] auf der Kennlinie CT(t) definieren, der innerhalb des Arbeitsbereiches [B-C] des ferromagnetischen Materials liegt (siehe Figur 9). Auf diese Weise ist die Magnetkupplung der Figur 10 auch durch ein Ausgangsdrehmoment gekennzeichnet, das abnimmt, wenn der Schlupf zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker zunimmt.
• Es sollte jedoch angemerkt werden, daß die Ausführungsform der Figur 4, verglichen mit der Ausführungsform der Figur 10, viele Vorteile hat.
• Ein erster Vorteil ist, daß die Übertragung eines Drehmomentes von dem magnetischen Induktor auf den magnetischen Anker über den radialen Luftspalt in der Figur 4 einen viel größeren Hebelarm hervorruft als die Übertragung eines Drehmomentes über den axialen Luftspalt bei der Vorrichtung der Figur 10. Dies bedeutet, daß die Kupplung der Figur 4 für die Übertragung des gleichen Drehmomentes eine niedrigere gesamte magnetische Induktion als die Kupplung der Figur 10 erfordert.
• Ein zweiter Vorteil ist, daß eine Kupplung mit einem radialen Luftspalt, wie in der Figur 4 wiedergegeben, derart ausgebildet werden kann, daß die allmähliche Verringerung des übertragenen Drehmomentes während des Betriebs der Kupplung kompensiert werden kann. Diese Verringerung des übertragenen Drehmomentes kann dadurch erklärt werden, daß sich die Permanentmagnete des magnetischen Induktors während eines längeren Betriebs erwärmen; wobei diese Erwärmung zu einer Abnahme der Stärke ihres Magnetfeldes führt. Die Erwärmung der Magnete wird hauptsächlich durch einen über den Luftspalt infolge Strahlung und Konvektion erfolgenden Wärmeübergang zwischen dem ferromagnetischen Hysteresematerial, das auf eine relativ hohe mittlere Arbeitstemperatur erwärmt wird, und den gegenüberliegenden Permanentmagneten erklärt. Bei einer Kupplung gemäß der Figur 4 kann nun diese allmähliche Verringerung des übertragenen Drehmomentes infolge der Erwärmung der Permanentmagnete 66 dadurch kompensiert werden, daß die thermische Expansion der Räder 60, 61, 62, 63, die die Erwärmung der Permanentmagnete 66 hervorruft, ausgenutzt wird. Es genügt in der Tat, daß die Räder 60, 61, 62, 63 des magnetischen Induktors 58 derart ausgebildet werden, daß ihre radiale Expansion eine Verkleinerung des radialen Luftspaltes 78 hervorruft, die ausreicht, um die Abnahme der Stärke des Magnetfeldes infolge der Erwärmung der Permanentmagnete 66 zu kompensieren. Dabei ist anzumerken, daß die für diesen Zweck notwendige Expansion sehr gering ist, da das übertragene Drehmoment umgekehrt proportional zu der dritten Potenz der radialen Vergrößerung des Luftspaltes zwischen den Magneten 66 und den Ringen 80, 81, 82, 83 ist. Da die Räder 60, 61, 62, 63 des magnetischen Induktors eine relativ große thermische Trägheit haben, werden sie von den Temperaturänderungen des ferromagnetischen Materials infolge der Änderungen des Schlupfes nicht oder nur sehr wenig beeinflußt. Die Räder 60, 61, 62, 63 bestehen vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit. Der Wärmeübergang zwischen den Magneten 66 und dem peripheren Ring 64 der Räder 60, 61, 62, 63 des magnetischen Induktors sollte so gut wie möglich sein. Eine wärmeleitende Paste kann verwendet werden, um die thermische Verbindung zwischen den Magneten 66 und den Rädern 60, 61, 62, 63 des magnetischen Induktors in den blinden Bohrungen 68 zu erhöhen.
• Ein dritter beträchtlicher Vorteil ist, daß der magnetische Induktor, der aus einer Vielzahl von auf der Ausgangswelle 28 angeordneten Rädern 60, 61, 62, 63 besteht, spürbare Erleichterungen hinsichtlich des Entwurfs der Kupplung bietet. In der Tat, um das übertragene Drehmoment zu erhöhen, genügt es, ein weiteres Rad zu dem magnetischen Induktor 58, und einen weiteren Ring zu dem magnetischen Anker 56 hinzuzufügen. Um das übertragene Drehmoment zu verringern, genügt es natürlich, ein Rad von dem magnetischen Induktor 58 abzunehmen. Da die Erwärmung des ferromagnetischen Hysteresematerials eine Funktion der Stärke des Magnetfeldes ist, ist es auch möglich, das thermische Verhalten (und dadurch die Kennlinie CT(t)) des ferromagnetischen Hysteresematerials durch Wahl einer geeigneten Anzahl von Induktorrädern 60, 61, 62, 63 zu beeinflussen.
• Ein vierter Vorteil einer Kupplung gemäß der Figur 4 besteht in der großen Anzahl von kleinen Magneten 66 pro Induktorrad 60, 61, 62, 63. Durch Änderung der Stärke, der Polarität und der Verteilung dieser zahlreichen kleinen Magnete ist es möglich, das Magnetfeld, das jedes Rad 60, 61, 62, 63 umgibt, fein abzustimmen. Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt P&sub0; auf der Kurve CT(t) der Figur 9 genau positioniert werden.
• Ein fünfter Vorteil einer Kupplung gemäß der Figur 4 besteht in dem Entwurf des magnetischen Ankers als Ringe 80, 81, 82, 83, die die Räder 60, 61, 62, 63 des magnetischen Induktors 58 umgeben. Diese Ringe 80, 81, 82, 83 sind nämlich durch eine kleine Masse gekennzeichnet, und haben daher eine kleine thermische Trägheit, was eine rasche Änderung ihrer Betriebstemperatur gewährleistet, wenn sich die durch den Hystereseeffekt in dem ferromagnetischen Material in Wärme umgewandelte Energie ändert. Ihre Kühlung ist ideal, da ihre Kontaktfläche mit dem äußeren Rotor 70 größer ist als ihre zu den Magneten 66 hin orientierte Fläche.
• Ein sechster Vorteil einer Kupplung gemäß der Figur 4 besteht in dem Entwurf der Kühlung des äußeren Rotors 70. Die in den Ringen 80, 81, 82, 83 erzeugte thermische Energie wird über den kürzesten Weg, der möglich ist, unmittelbar zu den in der Längsrichtung verlaufenden Kühlrippen 76 hin abgeleitet. Die Lager 74 und 72 sind weit entfernt von den Stellen, wo bei dem Rotor 70 die Wärme erzeugt wird. Bei der Kupplung gemäß der Figur 10 sind die Lager 174, 172 jedoch in der unmittelbaren Umgebung der ferromagnetischen Platten 180 gelegen und daher viel höheren Arbeitstemperaturen ausgesetzt.
• Ein siebter Vorteil einer Kupplung gemäß der Figur 4 besteht in der Möglichkeit, die radiale Überdeckung der ferromagnetischen Ringe 80, 81, 82, 83 und der magnetischen Induktorräder 60, 61, 62, 63 leicht zu ändern, und dadurch das übertragene Drehmoment fein einzustellen. Die Figur 8 gibt eine bevorzugte Ausführungsform einer Kupplung wieder, bei der die radiale Überdeckung der ferromagnetischen Ringe 80, 81, 82, ... und der magnetischen Induktorräder 60, 61, 62, ... zwischen 0% und 100% kontinuierlich eingestellt werden kann, ohne die Kupplung zerlegen zu müssen. Die Räder 60, 61, 62,... sind derart zusammengebaut, daß sie einen starren Induktorblock bilden. Die Welle 28 wird in diesem Induktorblock gleitend geführt, ohne daran befestigt zu sein. Der Induktorblock ist mit einer durch das Lager 72 axial geführten Hülse 90 starr verbunden. Diese Hülse 90 ist auf einen mit einem Gewinde versehenen Bereich der Welle 28 aufgeschraubt. Daraus ergibt sich, daß eine relative Drehung der Hülse 90 und der Welle 28 eine axiale Verschiebung des Induktorblocks längs der Welle 28 zur Folge hat. Um die Hülse 90 bezüglich einer Drehung auf der Welle 28 zu blockieren, wird ein Stift 94 verwendet.
• Schließlich bleibt in diesem Zusammenhang nur noch anzumerken, daß der radiale Luftspalt natürlich leichter und genauer hergestellt werden kann als ein axialer Luftspalt zwischen zwei sich drehenden Scheiben. Bei einer Kupplung mit einem radialen Luftspalt zwischen dem magnetischen Induktor und dem magnetischen Anker ist es folglich möglich, mit einem kleineren Luftspalt zu arbeiten als bei einer Kupplung mit einem axialen Zwischenraum zwischen dem magnetischen Induktor 58 und dem magnetischen Anker 56. Dies hat zur Folge, daß ein deutlich kleineres Magnetfeld benötigt wird, um das gleiche Drehmoment zu übertragen.

Claims (12)

1. Hysterese-Magnetkupplung mit

einem Rotor (70, 170), der ein ferromagnetisches Hysteresematerial trägt, und

einem drehbaren magnetischen Induktor (58, 158), zur Induzieren eines Magnetfeldes in dem ferromagnetischen Hysteresematerial des Rotors (70, 170),

wobei der magnetische Induktor (58, 158) und das ferromagnetische Hysteresematerial derart angeordnet sind, daß sich dazwischen ein Luftspalt (78, 178) ergibt, der eine relative gegenseitige Drehung mit einem veränderlichen Schlupf ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß

die Hysterese-Magnetkupplung derart ausgelegt ist, daß eine Zunahme der Verluste in dem ferromagnetischen Material, die mit einer bestimmten Zunahme des Schlupfes verbunden ist, zu einer umkehrbaren Zunahme der Temperatur des ferromagnetischen Hysteresematerials führt, die ausreicht, um eine umkehrbare Abnahme des übertragenen Drehmomentes hervorzurufen.

2. Kupplung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material ein Material ist, das einen großen spezifischen elektrischen Widerstand hat.

3. Kupplung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material ein gesintertes Material ist, das auf elektrisch isolierten Metallpulvern basiert.

4. Kupplung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen dem magnetischen Induktor (58) und dem ferromagnetischen Hysteresematerial ein radialer Luftspalt (78) ist.

5. Kupplung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Induktor eine Vielzahl von auf einer Welle (28) angebrachten Rädern (60, 61, 62, 63) aufweist, wobei jedes dieser Räder eine Vielzahl von Permanentmagneten (66) auf einem radialen peripheren Ring (64) trägt.

6. Kupplung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Hysteresematerial als axial getrennte Ringen (80, 81, 82, 83) ausgebildet ist, wobei jeder dieser Ringe eines der Räder (60, 61, 62, 63) umgibt, und einen radialen Luftspalt (78) mit diesem Rad definiert.

7. Kupplung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Überdeckung von mindestens einem der Räder (60, 61, 62, 63) mit dem entsprechenden Ring (80, 81, 82, 83) einstellbar ist.

8. Kupplung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (70), der die Ringe (80, 81, 82, 83) trägt, in der Längsrichtung verlaufende Kühlrippen (76) aufweist.

9. Kupplung gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Räder (60, 61, 62, 63) des Induktors eine große Anzahl von einzelnen Magneten (66) trägt.

10. Kupplung gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie derart ausgelegt ist, daß die Erwärmung bzw. Abkühlung dieser Permanentmagnete (66) bei kontinuierlichem Betrieb eine gleichzeitige Erwärmung bzw. Abkühlung der Räder (60, 61, 62, 63) hervorruft, die diese Permanentmagnete (66) tragen, so daß die Änderung des Durchmessers der Räder (60, 61, 62, 63) infolge der Erwärmung oder Abkühlung eine Abnahme bzw. eine Zunahme der Stärke des erzeugten Magnetfeldes durch eine Verkleinerung bzw. eine Vergrößerung des radialen Luftspaltes (78) automatisch kompensiert.

11. Aufroll/Abroll-Vorrichtung mit einem Antriebsmotor und einer Aufroll/Abroll-Trommel (18), gekennzeichnet durch eine Hysterese- Magnetkupplung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der magnetische Induktor mit der Aufroll/Abroll-Trommel (18) gekuppelt ist, und der Rotor (70), der das ferromagnetische Hysteresematerial trägt, mit dem Antriebsmotor gekuppelt ist.

12. Aufroll/Abroll-Vorrichtung gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Rotor (70) und der Aufroll/Abroll- Trommel (18) angeschlossenen Drehzahlminderer.