DE1168550B

DE1168550B - Induktionskupplung oder -bremse

Info

Publication number: DE1168550B
Application number: DEV18345A
Authority: DE
Inventors: Horst Lindner; Johannes Sittner; Walter Trautvetter
Original assignee: DESSAU ELEKTROMOTORENWERK
Current assignee: DESSAU ELEKTROMOTORENWERK
Priority date: 1960-03-25
Filing date: 1960-03-25
Publication date: 1964-04-23

Description

Induktionskupplung oder -bremse Die Erfindung betrifft eine im wesentlichen nach dem Induktionsprinzip arbeitende Kupplung oder Bremse, mit einer durch die kombinierte Induktionswirkung von massivem Eisen und Kurzschlußstäben zusammengesetzten Schlupf-Drehmoment-Kennlinie, deren Luftspalte axial zwischen treibendem und angetriebenem Teil angeordnet sind.
Es sind bereits Kupplungen oder Bremsen mit quer zur Drehachse liegendem Luftspalt in vielfältigen Ausführungen, teils als reine Wirbelstrom-, teils auch als Induktionskupplungen oder -bremsen bekanntgeworden, bei denen Permanentmagnete oder einspulige oder mehrspulige gleichstromerregte Polsysteme den funktionsbedingten Kraftlinienfluß erzeugen.
Je nach dem Verwendungszweck und der gewünschten Charakteristik sind Wirbelstromkupplungen und -bremsen für nahezu linearen Schlupf-Drehmoment-Verlauf entwickelt worden. Auf Grund ihrer Funktionsweise eignen sie sich besonders gut für Anlauf- und Bremsaufgaben.
Induktionskupplungen mit gleichstromerregten Polsystemen und Kurzschlußkäfigläufern hingegen weisen einen Drehmomentverlauf ähnlich einem Asynchronmotor auf, mit einem starken Drehmomentanstieg im Bereich des Nennschlupfes. Bei überschreitung des Kippmomentes fällt jedoch das Drehmoment bis zum Schlupf s = 1 stark ab. Es sind deshalb bereits Lösungen geschaffen worden, das hohe Kippmoment der asynchronen Maschine im Bereich der Nenndrehzahl bzw. des Nennschlupfes zu erhalten und das hohe Anlaufdrehmoment der Wirbelstromeharakteristik hinzuzufügen.
In bekannten Ausführungen werden C-förmige Gleichstrom-Erregersysteme verwendet, in die als ein- oder mehrscheibige Ausführung kreisringförmige Eisenringe als Abtriebsteile eintauchen und über eine Glocke das Drehmoment auf das anzutreibende Organ übertragen. Die während des Schlupfes in den Eisenringen entstehenden Wirbelströme werden in ihrer Wirkung von zusätzlichen Platten aus elektrisch gut leitendem Material unterstützt. Diese Platten stellen bei den bekannten Anordnungen jedoch einen hohen Widerstand für den Kraftfluß dar, da sie den Luftspalt zwischen dem Erregersystem als Antriebsteil und den Eisenringen als Abtriebsteil erheblich vergrößern.
Eine weitere Bauart mit einer Kombination der Wirbel- und Induktionsstrombildung ist in einer homopolaren elektromagnetischen Kupplung mit feststehendem Erregerspulensystem bekanntgeworden. Auch in dieser Lösung stehen sich Polzähne gegenüber, die den Kraftfiuß vom Primär- zum Sekundärteil dieser Synchronkupplung führen. Zur Konzentration des Kraftflusses in den Zähnen sind diese mit einem elektrisch gut leitenden Material umgeben. Da das Spulensystem feststeht, muß zwischen diesem und den Läufern ein weiterer Luftspalt in Kauf genommen werden, wodurch sich im gesamten Magnetkreis insgesamt drei Luftspalte ergeben; die sich auf die Kraftliniendichte im Bereich der Polzähne mindernd auswirken.
In einer anderen Ausführungsart von Induktionskupplungen sind ausgeprägte Erregerpole verwendet worden, wobei sich zwei miteinander verbundene Polreihen gegenüberstehen und die Induktionswirkung in einem massiven, mit einem Kurzschlußkäfig ausgerüsteten scheibenartigen.Läufer hervorrufen.
Schließlich ist noch eine weitere derartige Kombination bei Kupplungen mit parallel zur Achse liegendem Luftspalt bekanntgeworden, bei dem sowohl lamellierte mit einem Kurzschlußk'äfig versehene als auch massive Eisenteile im Induktor vorhanden sind. Der Kraftlinieniluß wird hierbei ebenfalls von einem sehr aufwendigen Schenkelpolsystem erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Beseitigung der den bekannten Ausführungen anhaftenden Mängel eine Kupplung bzw. Bremse zu schaffen, die bei geringem Aufwand ein hohes Drehmoment erzeugt und eine mit zunehmendem Schlupf steigende Drehmoment-Kennlinie aufweist.
Hierzu geht die neue Lösung von der bekannten überlagerung des Wirbelstrom- und Induktionseffektes sowie der Anwendung eines zentral angeordneten U-förmigen Erregersystems aus, in dem erfindungsgemäß ein scheibenartiger Läufer aus einer Vielzahl einzelner Segmente aus magnetisch gut leitendem Material gebildet wird, die, in gleichen umfangsmäßigen Abständen zueinander angeordnet, einen Ring ergeben, der in axialer Richtung von den beiden gleich großen Luftspalten begrenzt wird und in radialer Richtung der Höhe der Polzähne entspricht, während die umfangsmäßigen Abstände der Segmente durch querschnittsgleiche Stäbe bzw. Platten aus elektrisch gut leitendem Material ausgefüllt sind, die außerhalb des magnetischen Weges mit je einem innen und außen an den Segmenten fest anliegenden Ring aus ebenfalls elektrisch gut leitendem Material derart verbunden sind, daß ein Kurzschlußkäfig entsteht, bei dem die Anzahl der Segmente grundsätzlich von der Anzahl der Magnetpolpaare abweicht und daß die den Läufer tragende Glocke an einer Nabe befestigt ist, auf der das Magnetsystem über Wälzlager gelagert ist.
Zur Erzielung bestimmter Charakteristiken kann das im Scheibenläufer enthaltene magnetische Material massiv oder lamelliert sein.
Entsprechend dem gewünschten Drehmomentverlauf können das Läufereisen sowie der Kurzschlußkäfig qualitativ und quantitativ unterschiedlich bemessen werden. Bei entsprechendem Verhältnis läßt sich ein Drehmomentverlauf erzielen, der bei eintretendem Schlupf steil ansteigt und dann fast konstant bleibt, bis der Schlupf = 1, d. h. Stillstand eines Kupplungsteiles erreicht ist. Damit sind die Möglichkeiten für die Benutzung der Kupplung als Drehzahlregelorgan gegeben.
Speziell für diesen Verwendungszweck ist die Scheibenbauart, d. h. die Anordnung des Luftspaltes in Richtung der Kupplungsachse, besonders günstig, da die während der Drehzahlregelung auftretende Verlustwärme gut abgeführt werden kann. Hierzu ist der Rotorträger mit Luftdurchtrittsöffnungen und einem als Ventilator wirkenden Schaufelkranz versehen. Dank der Wirkung der beiden Polzahnkränze ist auch während des Regelbetriebes, bei dem beispielsweise der Rotor mit geringerer Umdrehungszahl umläuft als das mit konstanter Drehzahl umlaufende Magnetsystem, eine gute Kühlung gesichert.
Den Unteransprüchen kommt nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch Bedeutung zu.
In der F i g. 1, die die Kupplung teilweise im Schnitt zeigt, stellt 1 die Nahe mit einem angegossenen Kranz dar, welcher mit Polzähnen 9 versehen ist. Auf der Nabe 1 befindet sich der Spulenkörper 3, der die Magnetwicklung 2 trägt. Mit der Nabe ist der mit 1' bezeichnete 2. Kranz fest verbunden, so daß ein U-förmiges Polsystem entsteht. Der Schleifringkörper 5 sitzt auf der Welle 7 des Antriebsorgans ; und bildet über die elastische Scheibe 4 den Kraftschluß zur Nabe. Er ist mittels Keil 8 gegen Verdrehung gesichert. Die Magnetspule 2 ist mit den Schleifringen 6 elektrisch verbunden. Auf der Welle 16 sitzt, mittels Keil 17 gegen Verdrehung gesichert, der Rotorträger 12, an dem der eigentliche Rotor 10 angebracht ist. Der Rotor greift radial zwischen die Polzähne 9, 9' und bildet beidseitig gleiche Luftspalte von etwa 1 bis 4 mm. Das Rotoreisen wird durchsetzt von einem Käfigsystem, dessen Stäbe 19 (F i g. 2) aus elektrisch gut leitendem Flachmaterial die gesamte Länge des Rotors durchsetzen und durch die Kurzschlußringe 20 verbunden sind. Zur Erzielung einer den Rotor kühlenden Luftströmung ist auf dem dem Rotorträger abgekehrten Polkranz eine Abdeckung 21 vorgesehen in der Art, daß ein Luftaustrittspalt unter den Ventilatorschaufeln 22 entsteht. Während der Rotation sowohl des angetriebenen Teiles als auch beider Kupplungsteile ergeben sich damit Kühlluftströmungen, die in der durch den Pfeil angegebenen Weise die Kupplung durchströmen. Zu diesem Zweck sind im Rotorträger Durchbrüche 13 und 15 vorgesehen. Der Rotorträger 12 verfügt weiterhin über Verstärkungsrippen, die außerdem für eine Vergrößerung der Abkühlfläche sorgen. Die Wälzlager 18 stützen beide Kupplungsteile gegeneinander ab.
In F i g. 2 und 3 sind die Anordnungen der Rotorstäbe veranschaulicht. Durch Auswahl eines Flachmaterials, welches sich über die gesamte Rotorlänge erstreckt, werden mit Hilfe der Kurzschlußringe Schleifen von erheblicher Länge in der Art eines Hochstabläufers von Asynchronmotoren gebildet.
F i g. 4 stellt verschiedene, zur Erzielung bestimmter Charakteristiken geeignete Polformen dar.
F i g. 5 läßt die Zunahme des Drehmoments mit steigender Relativdrehzahl beider Kupplungsteile für verschiedene Kupplungen erkennen. Kurve a zeigt die Kennlinie einer reinen Wirbelstromkupplung, während Kurve b den Kennlinienverlauf der typischen Induktionskupplung mit hohem Kippmoment, ähnlich der des Asynchronmotors, darstellt.
F i g. 6 charakterisiert den Drehmomentverlauf einer sogenannten Synchronkupplung. Hieraus ist klar ersichtlich, daß das größte übertragbare Moment bei Gleichlauf beider Kupplungsteile vorhanden ist. Dabei ist es allerdings erforderlich, daß die Anzahl der massiven Segmente der Anzahl der Polzähne je Polplatte entspricht. Der Läufer läuft asynchron an und fällt schließlich in die synchrone Drehzahl.
F i g. 7 zeigt die Drehmomentkennlinie der erfindungsgemäßen Kupplung. In ihr sind die Wirbelstrom- und die Asynchron-Drehmomentkennlinie überlagert und ergeben also einen steilen Anstieg und einen annähernd gleichbleibenden Wert bei zunehmender Relativdrehzahl beider Kupplungsteile.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt in dem hohen Drehmoment bei maximaler Relativdrehzahl, welches auch bei Verkleinerung des Schlupfes fast konstant bleibt. Erst bei sehr kleinem Schlupf fällt das Drehmoment stark ab. Diese Erscheinung befähigt die Kupplung, Drehzahlregelungen über einen weiteren Bereich zu ermöglichen. Das schon bei Maximalschlupf vorhandene große Drehmoment verleiht der Kupplung eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit, die besonders bei schnellen Umsteuerungen von großer Bedeutung sein kann.
Die relativ hohe Leistung der Kupplung bzw. Bremse bei geringem Materialaufwand liegt in der erst durch die erfindungsgemäße Anordnung des aktiven Läufereisens in Segmentform mit eingelegtem Kurzschlußkäfig möglich gewordenen Bemessung des magnetischen Luftspaltes begründet.

Claims

Patentansprüche: 1. Induktionskupplung oder -bremse mit einer durch die kombinierte Induktionswirkung von massivem Eisen und Kurzschlußstäben zusammengesetzten Schlupf-Drehmoment-Kennlinie, bestehend aus einer eine koaxial angeordneten Gleichstromspule tragenden magnetisch leitenden Nabe, welche mit zwei beidseitig senkrecht zu dieser kraftschlüssig angeordneten Polplatten mit stark ausgeprägten Zähnen ein U-förmiges Magnetsystem bildet, wobei die Zähne beider Polplatten sich in gleichem Abstand gegenüberstehen und einen an einer Glocke befestigten scheibenförmigen Läufer mit hohem Eisenanteil und einem Kurzschlußkäfig aus elektrisch gut leitendem Material als Abtrieb über zwei gleich große axiale Luftspalte einschließen, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der scheibenartige Läufer aus einer Vielzahl einzelner Segmente (11) aus magnetisch gut leitendem Material gebildet wird, die, in gleichen umfangsmäßigen Abständen zueinander angeordnet, einen Ring ergeben, der in axialer Richtung von den beiden gleich großen Luftspalten begrenzt wird und in radialer Richtung der Höhe der Polzähne (9) entspricht, während die umfangsmäßigen Abstände der Segmente durch querschnittsgleiche Stäbe bzw. Platten aus elektrisch gut leitendem Material ausgefüllt sind, die außerhalb des magnetischen Weges mit je einem innen und außen an den Segmenten fest anliegenden Ring aus ebenfalls elektrisch gut leitendem Material derart verbunden sind, daß ein Kurzschlußkäfig entsteht, bei dem die Anzahl der Segmente grundsätzlich von der Anzahl der Magnetpolpaare abweicht und daß die den Läufer tragende Glocke an einer Nabe befestigt ist, auf der das Magnetsystem über Wälzlager gelagert ist.
2. Induktionskupplung oder Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Scheibenläufer enthaltene magnetisierbare Material massiv oder lamelliert ist.
3. Induktionskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorträger teilweise oder ganz aus nichtmagnetisierbarem Material besteht.
4. Induktionskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorträger mit Luftdurchtrittsöffnungen und einem Ventilatorflügelkranz versehen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1039 614, 1006 057, 1043 482; französische Patentschriften Nr. 1075 425, 1075 450; britische Patentschriften Nr. 682124, 793 854, 777 728; Zeitschrift ALSTHOM REM-Revue d'Electricit6 & de Mecanique, Bd.38 vom Juli/September 1958, S. 33/34.