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Betrllft : Elektromagnetische Wirbelstromkupplung, insbesondere für
Fahrzeuge.
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Gegenstand der Neuerung ist eine Kupplung, insbesondere für Fahrzeuge,
die zur automatischen Ein-und Ausschaltung, d. h. ohne Betätigung besonderer Bedienungselemente
geeignet ist. Für diesen Anwendungszweck sind bereits Konstruktionen, z. B. auf
der Grundlage der hydraulischen Strömungskupplungen oder als elektrisch betätigte
Reibungskupplungen vorgeschlagen worden.
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Die vorliegende Neuerung geht demgegenüber von einem Prinzip aus,
das für willkürlich zu betätigende Kupplungen ebenfalls bereits Anwendung gefunden
hat, nämlich von dem Wirbelstrom bzw. Hysteresis-Prinzip. Derartige Wirbelstromkupplungen
haben z. B. im Schiffbau zur Ausschaltung mehrerer Antriebsmotoren auf eine Schraubenwelle
Eingang gefunden. Bei ihnen läuft ein elektromagnetisch erregter Feldmagnet mit
der einen der beiden in Verbindung zu bringenden Wellen um, während mit der anderen
Welle ein als Anker ausgebildeter, mit einer zur Erzeugung von Wirbelströmen geeigneten
Leiterbahn oder einer entsprechend bemessenen Kurzschlusswicklung versehener Rückschlusskörper
aus ferromagnetischem Werkstoff verbunden ist. Wird nun der Feldmagnet mit Gleichstrom
erregt und gleichzeitig
durch den Antriebsmotor in Umdrehung versetzt,
so bilden sich kräftige Wirbel-oder Kurzschlußströme aus, die den Rückschlusskörper
ebenfalls in Umdrehung versetzen. Die Stromzuführung zum umlaufenden Feldmagneten
erfolgt bei den bekannten Konstruktionen über Schleifringe. Für den robusten Fahrzeugbetrieb
liegt hierin jedoch eine beträchtliche Gefahr, da bei Störungen in der Stromübertragung
der Antriebsmotor vom übrigen Triebwerk getrennt wird. Andererseits bieten jedoch
nach dem Wirbelstrom-Prinzip arbeitende Kupplungen gerade im Fahrzeugbau sehr viele
Vorteile, die in erster Linie in ihrer Eigenschaft begründet liegen, dass sie trotz
langer Schlupfperiode, d. h. also bei sehr weichem Einkuppeln, völlig verschleissfrei
arbeiten.
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Die Neuerung zeigt nun-einen Weg auf, nach dem es möglich ist, Wirbelstromkupplungen
ohne die nachteiligen Schleifringübertrager zu bauen. Sie besteht darin, dass der
Feldmagnet gemeinsam mit dem Läufer einer fremd erregten Erregermaschine mit der
treibenden Welle der Kupplung umläuft, wobei die Wicklungen des Läufers der Erregermaschine
und des Feldmagneten der Wirbelstromkupplung elektrisch direkt miteinander verbunden
sind. In diese Verbindungsleitungen können Gleichrichter eingeschaltet werden, die
ebenfalls mit der gesamten Anordnung umlaufen, so dass keinerlei die Betriebssicherheit
gefährdende bewegliche Stromübertragungen erforderlich sind.
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Dabei erfolgt das Ein-und Ausschalten der Kupplung durch Ein-bzw.
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Ausschalten der feststehenden Feldwicklungen der Erregermaschine.
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Gleichviel, ob der Strom zur Speisung der Feldwicklung der Erregermaschine,
der Fahrzeugbatterie, der Lichtmaschine, die zu diesem Zweck mit einer besonderen
Wicklung ausgestattet sein kann, um die gewünschte Drehzahlabhängigkeit in der Erregerstromstärke
zu erzielen, oder sonst einer Stromquelle entnommen wird, kann die Schaltung in
an sich bekannter Weise von einem in den Bedienungshebel des Wechselgetriebes eingebauten
Schaltkontakt, gegebenenfalls über ein geeignetes, elektromagnetisches Relais erfolgen.
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Neuerungsgemäss kann zur Speisung der Feldwicklung der Erregermaschine
ein besonderer magnetelektrischer Generator vorgesehen sein, dessen Feld in Form
eines permanentmagnetischen Polrades gleichfalls mit der treibenden Welle umläuft,
während der im ruhenden Anker erzeugte Strom über Gleichrichter der ebenfalls ruhenden
Feldwicklung der Erregermaschine zugeführt wird. Dieser magnetelektrisehe Generator
kann natürlich gegebenenfalls mit einer hierfür gesondert vorgesehenen Wicklung
versehen, auch zur Ladung der Fahrzeugbatterie herangezogen, werden, so dass dadurch
die übliche Lichtmaschine fortfällt. In diesen durch den Anker des magnetelektrischen
Generators und die Feldwicklung der Erregermaschine gebildeten Stromkreis oder auch
in den durch Anker der Erregermasohine und Feldwicklung der Wirbelstromkupplung
gebildeten Stromkreis können Regelorgane, wie Widerstände, Drosseln oder dergl.
eingeschaltet sein9 um so eine bestimmte Abhängigkeit des Kupplungsgrades, z. B.
von der Drehzahl, zu bewirken. Man kann diese Regelorgane auch automatisch betätigen,
indem
man sie z. B. von einem Fliehpendel her steuert oder selbst mit umlaufen lässt und
Teile von ihnen der Fliehkraft aussetzt. So kann man z. B. bei einer Drossel einen
Teil des Eiaenweges als beweglichen Anker ausbilden, der unter der Einwirkung der
Fliehkraft bei einer bestimmten Drehzahl den magnetischen Widerstand des Eisenkreises
verändert oder über einen Kontakt seine Wicklung zu-bzw. abschaltet. Man kann aber
auch einen mit der treibenden Welle umlaufenden Fliehkraftschalter vorsehen, der
bei Überschreiten der Leerlaufdrehzahl des Antriebsmotors z. B. die Feldwicklung
der Wirbelstromkupplung mit dem Anker der Erregermaschine verbindet und vice versa,
so dass die Kupplung bei Änderung der Motor-Drehzahl im geeigneten Augenblick automatisch
arbeitet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Neuerung sind der ruhende Feldmagnet
der Erregermaschine und der ebenfalls ruhende Anker des magnetelektrischen Generators
zu einem mit Innen-und Aussenpolen versehenen ringförmigen Körper vereinigt, welcher
von dem mit Innenpolen versehenen umlaufenden dauermagnetischen Polrad umschlossen
ist, während in seiner Bohrung der Anker der Erregermaschine umläuft. Diese Maßnahme
ergibt eine gerade im Fahrzeugbau oft er-
| wünsche geringe axiale Erstreckung der gesamten Anordnung. |
| Neuerungsgemäss kann aber auch der Feldmagnet der Erregermaschine |
aus z. B. durch Verdrehen oder Verschieben abschaltbaren Dauermagneten gebildet
sein. Dabei wird in an sich bekannter Weise der von den Dauermagneten ausgehende
Kraftfluss : zum Zwecke des Ein-oder Ausschaltens über ferromagnetische Gleitstücke
dem Luftspalt zugeführt,
oder über diese oder besonders dafür vorgesehene
ferromagnetische Teile kurzgeschlossen, so dass in jedem Betriebszustand der Arbeitpunkt
der Dauermagnete auf ihrer Entmagnetisierungskurve nahezu konstant bleiben wird.
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Gemäss der Neuerung kann der auf der getriebenen Welle befestigte
und mit einem elektrischen Leiterteil versehene ferromagnetische Rückschlusskörper
der Wirbelstromkupplung vor einem weiteren, jedoch ruhenden, elektrisch oder durch
abschaltbare Dauermagnete erregten Feldmagneten umlaufen, so dass dieser Teil der
Kupplung gleichzeitig zum verschleissfreien Abbremsen des Fahrzeuges herangezogen
werden kann. Die Wirkungsweise dieser verschleissfreien Bremse beruht wiederum auf
dem Wirbelstrom-bzw. Hysteresis-Effekt. In diesem Falle müssen natürlich Massnahmen
getroffen sein, um die auf diese Weise entstehende und gegenüber dem Kupplungsvorgang
beträchtlich grössere Wärmeentwicklung zu beseitigen. Am einfachsten können hierzu
Kühlrippen mit Gebläsewirkung am Rückschlusskörper vorgesehen werden.
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Die Einschaltung des die Bremsung bewirkenden Feldmagneten kann in
einfachster Weise durch einen am Bremspedal angebrachten Kontakt bewirkt werden,
durch welchen über einen Elektromagneten die erregenden Dauermagnete in ihre Arbeitsstellung
gebracht werden. Wird das bremsende Magnetfeld elektrisch erregt, so kann durch
diesen Kontakt entweder die Batteriespannung oder die Spannung eines der für den
Kupplungsteil vorgesehenen Generatoren an die Feldwicklung angelegt werden. Im letzteren
Falle besteht auch die Möglichkeit, die Kupplung
durch Abschalten
der Erregermaschine im Augenblick der Einschaltung der Wirbelstrombremse abzuschalten,
so dass die gesamte Generator-Leistung zur Speisung des bremsenden Magnetfeldes
zur Verfügung steht.
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Da zur Leistungsübertragung bei einer Wirbelstromkupplung grundsätzlich
ein gewisser, wenn auch nur sehr kleiner Schlupf zwischen treibenden und angetriebenen
Teilen erforderlich ist, kann gemäss der Neuerung eine zusätzliche Reibungskupplung
vorgesehen sein, welche durch einen Elektromagneten ein-und ausgeschaltet wird.
Dabei wird der Elektromagnet durch einen Fliehkraft-Schalter, der mit der Kupplung
umläuft, bei vorgegebenen Drehzahlen ein-bzw. ausgeschaltet. Auf diese Weise wird
die zum weichen Anfahren erforderliche Schlupfperiode der Kupplung von der verschleissfrei
arbeitenden Wirbelstromkupplung überhommen, so dass die Reibungskupplung nur eine
sehr kleine Drehzahl-Differenz zur vollen Angleichung der Drehzahl der treibenden
und der angetriebenen Welle zu übernehmen hat.
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Da der Verschleiss bei einer Reibungskupplung nur dann entsteht ;
wenn die Kupplung zur Angleichung ungleicher Drehzahlen schlüpft und bei der neuerungsgemässen
Anordnung dieser Bereich ausserordentlich klein geworden ist, wird diese zusätzliche
Reibungskupplung damit praktisch ebenfalls verschleissfrei.
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Im einzelnen ist die Neuerung in der Zeichnung in einem Ausführungbeispiel
erläutert. Es bedeuten : Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kupplung gemäss der
Neuerung in schematischer Darstellung,
Fig. la einen Teilschnitt
durch die äussere Wirbelstrom-Bremsanordnung mit Dauermagneten, Fig. 2 eine Teilansicht
eines Querschnittes durch den Generatorenteil der Kupplung nach der Linie I-I der
Fig. 1, Fig. 3 ein schematisches Schaltbild.
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In Fig. 1 ist die treibende Welle 1 im Gehäuse 2 des Antriebsmotors
gelagert. Die auf der treibenden Welle 1 mittels des Keiles 3 befestigte Schwungsoheibe
4, die an ihrem äusseren Umfang mit der Verzahnung 5 zum Eingreifen des Anlasserritzels
ausgerüstet sein kann, ist mit in wechselnder Richtung radial magnetisierten Dauermagneten
6 zu einem umlaufenden Polrad ausgebildet. Diesen Dauermagneten 6 gegenüber befindet
sich ein am Gehäuse 2 befestigter Ankerring 7, der Wicklungen 8 trägt. Der in diesen
Wicklungen erzeugte Strom wird tB den Wicklungen 9 zugeführt, die auf dem Innenpolring
lo befestigt sind. Wie dem Schaltbild Fig. 3 zu entnehmen, ist in diesen Stromkreis
ein Schalter 11 und ein Gleichrichter 12 eingefügt, so dass bei Schliessen des Schalters
11 in den Wicklungen 9 ein Gleichstrom fliesst. Das auf diese Weise elektromagnetisch
erregte Feld erzeugt in den mit der Schwungmasse 4 umlaufenden und auf deren Polringansätzen
13 befestigten Spulen 14 einen Strom, der den Wicklungen 15 zugeführt wird. Die
Wicklungen 15 befinden sich auf dem ebenfalls mit der Schwungmasse 4 umlaufenden
Polrad 16, das als Peldmagnet für Fig. die Wirbelstromkupplung dient. Wie aus dem
Schaltbild ersehen ist, liegt auch in diesem Stromkreis ein Gleichrichter 17 sowie
ein-Fliehkraftschalter 18. Dieser Schalter 18 läuft ebenso wie der
Gleichrichter
17 mit der treibenden Welle 1 um und ist so justiert, dass er bei Überschreiten
der Leerlaufdrehzahl des treibenden Motors in Einschaltstellung gebracht wird. Bei
Unterschreiten der eingestellten Drehzahl öffnet er den Stromkreis wieder.
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Bei Erregen des Polrades 16 treten die Kraftlinien durch den Luftspalt
19 und die Wirbelstrombahn 2o in den Rückschlusskörper 21 aus ferromagnetischem
Werkstoff ein und erzeugen dabei in der Wirbelstrombahn 2o, welche aus elektrisch
gut leitendem Werkstoff besteht, in bekannter Weise Induktionsströme, deren Rückwirkung
auf das umlaufende Feld den Kupplungseffekt ergibt. Um die bei diesem Vorgang zwangsläufig
auftretende Erwärmung des Körpers 21 ein gewisses Mass nicht überschreiten zu lassen,
können an dessen Umfang bzw. Rückseite ventilatorartig wirkende Kühlrippen 22 vorgesehen
sein. Dieser Körper 21 ist mittels des Keiles 23 auf der anzutreibenden Welle 24
befestigt, so dass die letztere beim Einschalten der Kupplung zunächst mittels des
Wirbelstromteiles mit weichem Übergang in Umdrehung versetzt wird. Nach Erreichen
einer gewissen, kurz vor dem Synchronlauf liegenden Drehzahl, kann die Kupplungsscheibe
25, welche axial verschiebbar mittels der Verzahnung 26 auf der Welle 1 befestigt
ist, durch Einschalten des Fliehkraftschalters 28 über die Wicklung. 27 magnetisiert
werden. Die dabei auftretenden Anziehungskräfte zwischen der Kupplungsscheibe 25
und dem Rückschlußkörper 21 bewegen die Scheibe 25 auf den Körper 21 zu und bringen
ihn dort zu festhaftenden Anlage.
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Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, wird die Spule 27 durch den Fliehkraftschalter
28 beim Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Welle 1 nach Abschalten der Wicklungen
15 an die von den Spulen 14 erzeugte Spannung geschaltet. Bei Unterschreiten der
für den Fliehkraftschalter 28 massgeblichen Schaltdrehzahl werden die Spule 27 wieder
ab-und die Wicklungen 15 wieder angeschaltet.
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Dabei löst sich die Verbindung zwischen der Kupplungsscheibe 25 und
dem Riickschlusskörper 21, so dass durch den Streufluss des Polrades 16 der an den
Polnasen 29 austritt die Kupplungsscheibe 25 in ihre Ruhelage zurückbewegt wird.
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Der auf der getriebenen Welle 24 befestigte Rückschlusskörper 21 trägt
ferner an der Aussenseite über den Rippen 22 einen Ring 31 aus ferromagnetischem
Werkstoff und darüber einen Ring 3o aus elektrisch gut leitendem Werkstoff. Gegenüber
diesen Ringen sind längs des Umfanges Elektromagnete 32 starr am Gehäuse so befestigt,
dass zwischen den Polen der Elektromagnete und dem Ring 3o ein Arbeitsluftspalt
verbleibt. Anstatt der Elektromagnete können auch, wie in Fig. la gezeigt ist, verstellbare
Dauermagnete gegenüber den Ringen 3o und 31 mit Abstand am Gehäuse angeordnet sein.