Magnetische Hysteresis-Antriebsübertragungseinrichtung Die Erfindung betrifft eine magnetische Antriebs übertragungseinrichtung und macht vom Hysteresis- Effekt magnetischer Materialien Gebrauch, der be reits in einer bekannten Hysteresis-Kupplung zur Anwendung gelangte. Diese Art Kupplung hat die Gestalt von zwei drehbaren Teilen, von denen der eine mit einer Anzahl magnetischer Polpaare zum andern Teil versehen ist, welch letzterer rotations symmetrische Form hat und aus einem Material mit grossen Hysteresis-Verlusten, das ist ein permanent magnetisches Material, besteht.
In diesem Material werden Pole induziert, die bestrebt sind, ihre magne tische Polarität beizubehalten, so dass, wenn der eine Teil gedreht wird, der andere in synchroner Drehung folgt.
Wenn die beiden Teile gezwungen werden, mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu laufen, entsteht in der Kupplung ein Schlupf, und das maximal über tragbare Drehmoment ist proportional der Anzahl der Polpaare, dem Volumen des Materials mit hohem Hysteresis-Effekt und der Fläche der Hysteresis-Schleife, die dem Material aufgezwungen wird.
Gemäss der Erfindung ist eine magnetische Hysteresis-Anroriebsübertragungseinrichtung mit einem treibenden und einem getriebenen Teil geschaffen, die voneinander durch einen Luftspalt getrennt sind, durch welchen ein Drehmoment durch ma gnetische Feldkräfte zwischen polarisierenden Polen des einen Teils und induzierten Polen des an dern Teils übertragbar sind, welche Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der erstgenannte Teil zwei Sätze von zwischeneinandergreifenden Polstücken aufweist, die von zwei magnetisch getrennten Ringen entgegengesetzter Polarität aus sich gegen den andern Teil erstrecken, innerhalb welchem erstgenannten Teil der magnetische Fluss zwischen aufeinanderfolgenden Polstücken verläuft.
Die Einrichtung kann einen Elektromagneten aufweisen, der bezüglich der treibenden und getrie benen Teile derart angeordnet ist, dass er bei Erre gung einen entsprechenden Magnetismus in den Ma gnetpolen induziert. Falls zu diesem Zweck von einem stationären Elektromagneten Gebrauch ge macht wird, können elektrische Schleifkontakte für den Antrieb vermieden werden.
Die Antriebsvorrichtung kann ferner Mittel zum Feststellen eines Schlupfes zwischen den treibenden und getriebenen Teilen aufweisen. Dies kann wie derum ohne Schleifkontakte verwirklicht werden., indem einer der Teile mit mindestens einer inhomo- genen Partie versehen wird, die bewirkt, dass beim Auftreten eines Schlupfes eine Veränderung des ma gnetischen Widerstandes im magnetischen Fluss zwi schen den Teilen entsteht, und durch Mittel zum Feststellen und Messen eines elektrischen Signals, welches infolge der Flussänderung erzeugt wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird dieselbe nun an Hand der beigefügten Zeichnung beispielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Axialschnitt durch eine elektromagnetische Kupp lung.
Fig. 2 zeigt ebenfalls in vereinfachter Darstellung die gleiche Kupplung, teils im Schnitt nach den Li nien A-A und B-B, teils in Ansicht gemäss den Pfeilen C-C, in Fig. 1.
Fig.3A-3C stellen je eine andere elektrische Schaltung zum Erzielen einer Messung oder Anzeige der Schlupfgeschwindigkeit dar.
Fig.4 zeigt einen Axialschnitt durch ein Ge triebe, das Kupplungen gemäss Fig. 1 und 2 enthält. Fig. 5A-5D veranschaulichen Drehmoment-Cha- rakteristiken der Kupplung und des Getriebes gemäss Fig. 4.
Gemäss Fig. 1 und 2 verläuft eine Antriebswelle 1 durch die eine Seitenwand 2a eines Kupplungs gehäuses 2, wo ein Rad 3 aus unmagnetischem Ma terial auf die Welle 1 aufgekeilt ist. Das Rad 3 be steht aus einer zentralen Nabe 3a und aus sechs radial nach aussen abstehenden Armen 3b, die ge mäss Fig. 2 mit einer Teilung von 60 rund um die Nabe 3a angeordnet sind. Die Arme 3b tragen ein mehrteiliges Ringgebilde 4, welches Polstücke auf weist, die mit Hilfe von Schrauben 5 an den Armen 3b befestigt sind.
Das Ringgebilde 4 weist ferner einen zentralen Ring 6 aus unmagnetischem Mate rial auf, der dazu dient, zwei Ringe 7 und 8 von einander entfernt zu halten, an denen je ein Satz von sechs Polstücken 7a bzw. 8a ausgebildet ist.
Wie dargestellt, ist der Ring 7 unmittelbar an den Armen 3b mit Hilfe der Schrauben 5 befestigt, die auch zum Verbinden des zentralen Ringes 6 mit dem Rad 3 dienen, während der Ring 8 mittels Schrauben 9 am zentralen Ring 6 gesichert ist. Die Polstücke 7a und 8a erstrecken sich gegen die Kupp lungsachse und greifen zwischen einander zwecks Bildung von gegen die Achse gerichteten, auf einer gemeinsamen kreiszylindrischen Ringfläche liegenden Endflächen, die bezüglich einer Radialebene symme trisch angeordnet sind.
Eine getriebene Welle 10 verläuft durch die an dere Seitenwand 2b des Gehäuses 2 und ist mit Hilfe von Lagern sowohl in der Gehäusewand 2b als auch in der Nabe 3a drehbar gelagert. Im Innern des Ge häuses 2 und symmetrisch in bezug auf die Mittel linie C-L in Fig. 1 ist auf der Welle 10 eine Nabe 11 aufgekeilt, die aus einem Material mit geringem magnetischem Widerstand besteht und an ihrem Um fang einen Ring 12 aus einem Material mit grossem Hysteresis-Effekt, z. B. Aluminium-Nickel-Kobalt- Legierung, trägt.
Der Ring 12 ist so behandelt wor den, dass er eine bevorzugte magnetische Achse in radialer Richtung zeigt. Der Umfang des Ringes 12 begrenzt zusammen mit den Endflächen der Pol stücke 7a und 8a einen schmalen ringförmigen Luftspalt 13.
Eine zylindrische Partie 2c des Kupplungs gehäuses 2 trägt ausserhalb des zusammengesetzten Ringgebildes 4 einen ringförmigen Elektromagneten, welcher eine Feldspule 14 zwischen einem Paar von ringförmigen Polstücken 15 und 16 aufweist. Die ringförmigen Polstücke 15 und 16 sind durch die als Joch dienende Gehäusepartie 2c voneinander distanziert und unter Belassung eines Luftspaltes 17 im Abstand von den Ringen 7 und 8 gehalten. Zwi schen der Feldspule 14 und der gegenüberliegenden Gehäusepartie 2c befindet sich eine Signalspule 18, deren Zweck weiter unten beschrieben ist.
Im Betrieb wird die Feldspule 14 durch Verbin dung mit einer Gleichstromquelle erregt, wobei der magnetische Fluss wie folgt verläuft: Von der zylin- drischen Jochpartie 2c des Gehäuses 2 zum ring förmigen Polstück 15, über den Luftspalt 17 zum Ring 7 und zu den sechs Polstücken 7a und dann über den Luftspalt 13 zum Ring 12. Von einer Stelle innerhalb der Nabe 11 gegenüber dem benachbarten Polstück 8a tritt der magnetische Fluss wieder in den Ring 12 ein; dann durchquert er den Luftspalt 13 zu den sechs Polstücken 8a und zum Ring 8, wonach der Fluss vom Ring 8 über den Luftspalt 17 zum ringförmigen Polstück 16 verläuft und schliess lich den Kreislauf in der zylindrischen Partie 2c des Gehäuses 2 schliesst.
Wenn die Welle 1 gedreht wird, folgt die Welle 10 dieser Bewegung, solange der Elektromagnet er regt ist, vorausgesetzt, dass das zu übertragende Drehmoment geringer ist als das Schlupfdrehmoment.
Die mechanische Charakteristik für die beschrie bene Einrichtung kann aus folgenden überlegungen gefunden werden: Die Arbeit, welche durch Schlüp fen der Kupplung um eine Umdrehung verlorengeht, ist gleich dem Drehmoment (73 multipliziert mit 2 7 oder dem Produkt aus der Anzahl (N) der Pol paare<I>7a,</I> 8a, dem Volumen (V) des Ringes 12 und der Fläche (A) der BH-Kurve (Hysteresis-Kurve) des Materials, aus welchem der Ring 12 hergestellt ist:
EMI0002.0040
Somit kann durch Veränderung der Stärke des elektromagnetischen Feldes und damit des Wertes A das Drehmoment, bei welchem die Kupplung schlüpft, geändert werden.
Während des Schlüpfens der Kupplung existiert eine relative Bewegung zwischen dem Gebilde der Polstücke 7a und 8a und dem Ring 12; und durch eine solche Ausbildung des Ringes 12, dass an Zonen 12a desselben der magnetische Fluss einen veränder ten magnetischen Widerstand vorfindet, lassen sich im gesamten magnetischen Kreis gewisse Änderun gen des magnetischen Flusses erzielen, welche Fluss- änderungen in den Spulen 14 und 18 eine gewisse, zur Schlupfgeschwindigkeit proportionale Spannung induzieren.
Im vorliegenden Beispiel sind die inhomo- genen Partien durch Nuten 12a gebildet, die an Stellen zwischen den aufeinanderfolgenden Pol stücken 7a und 8a angeordnet sind, um den magne tischen Widerstand des Flusses beim Schlüpfen der Kupplung zu variieren. Von der separaten Spule 18 kann die erzeugte Signalspannung gewünschtenfalls abgenommen werden.
In Fig. 1 sind die Anschlüsse der Spulen 14 und 18 schematisch zu einem Klem- menblock 19 geführt, der zwei Anschlussklemmen a und<I>b</I> für die Feldspule 14 und zwei Anschluss klemmen c und d für die Spule 18 aufweist.
Die Fig. 3A-3C zeigen drei Möglichkeiten zur Erzielung einer Anzeige oder Messung der Schlupf geschwindigkeit, wobei Fig. 3A und 3B das Her leiten eines Schlupfsignals von der Feldspule 14 zei gen, während die Schaltung nach Fig. 3C von der separaten Signalspule 18 Gebrauch macht, die auf die Feldspule 14 aufgebracht ist.
Gemäss Fig. 3A ist ein Widerstand R in Reihe mit dem einen Leiter zwischen der Feldspule 14 und der Spannungsquelle DC geschaltet und ein Mess- instrument über den Widerstand R gelegt zum An zeigen und Messen der Änderung des Spannungs abfalles über dem Widerstand R, wenn ein Schlupf auftritt, als Mass für die Schlupfgeschwindigkeit. Nach Fig. 3B ist die Feldspule 14 mit einer Gleich stromquelle DC über die Primärwicklung eines Transformators T verbunden,
in dessen Sekundär wicklung eine der Schlupfgeschwindigkeit proportio nale Wechselspannung induziert wird, wenn eine relative Drehung zwischen dem treibenden und dem getriebenen Teil der Kupplung auftritt. Das Wechsel spannungssignal wird an einem Messinstrument M angezeigt.
Gemäss Fig. 3C ist die Feldspule 14 durch eine Gleichspannungsquelle DC erregt, während an die Signalspule 18 ein Messinstrument M angeschlossen ist, welches die in der Spule 18 induzierte Spannung als Mass für die Schlupfgeschwindigkeit anzeigt, wenn ein Schlupf auftritt.
Eine Anwendung der vorstehend mit Bezug auf Fig. 1-3 beschriebenen Kupplung ist in einem Zwei geschwindigkeitsgetriebe, wie es in Fig. 4 im axialen Schnitt durch die gleichachsig angeordneten An triebs- und Abtriebswellen dargestellt ist. Diejenigen Teile des Getriebes, die aus unmagnetischem Mate rial bestehen, sind mit gestrichelten Linien schraf fiert.
Gemäss Fig. 4 hat das Getriebe ein mehrteiliges zylindrisches Gehäuse 20 mit angeflanschten End- schildern 21 und 22. Eine Antriebswelle 23 ist durch ein Lager im Endschild 21 gelagert und erstreckt sich in axialer Richtung ins Innere des Gehäuses 20, wo sie durch ein zweites Lager in einer ausgenom menen Nabe 24 der Abtriebswelle 25 abgestützt ist, welche den Endschild 22 durchsetzt und in demsel ben drehbar gelagert ist.
Eine Kraftübertragung zwi schen der Antriebswelle 23 und der Abtriebswelle 25 kann nur dann erfolgen, wenn mindestens eine von zwei ähnlichen elektromagnetischen Kupplungen 26 und 27 erregt wird, von denen jede sowohl im Aufbau als auch in der Wirkungsweise derjenigen gemäss Fig. 1 und 2 ähnlich ist. Die Bestandteile der einen Kupplung 26 sind mit den gleichen Bezugs ziffern bezeichnet wie in Fig. 1, woraus die Wir kungsweise ohne weiteres verständlich ist.
Die ruhenden Teile der Kupplungen sind durch unmagnetische Bolzen 28 zusammengehalten, welche durch den einen Endschild 22 und die Joche 2c hin durchgehen und in einen Ring 29 eingeschraubt sind, der seinerseits mit dem andern Endschild 21 verbunden ist. Eine unmagnetische, mit einer zen tralen öffnung versehene Distanzscheibe 30 ist zwi schen den beiden Jochen 2c und den angrenzenden Polstücken der Elektromagnete der Kupplungen an geordnet und dient zur Trennung der magnetischen Kreise der zwei Kupplungen.
Die äussern, drehbaren Teile der Kupplungen 26 und 27, welche in jedem Fall aus den Ringen 7 und 8 mit den Polstücken 7a und 8a sowie dem magnetisch nichtleitenden Ring 6 bestehen, sind miteinander durch Bolzen 31 ver bunden, die auch zur Sicherung der genannten Teile an einem radialen Flansch der Nabe 24 der Ab triebswelle dienen.
Die innern drehbaren Teile der Kupplungen 26 und 27 sind so angeordnet, dass sie mittels der An triebswelle 23 gedreht werden können. Der innere Teil der Kupplung 27 ist unmittelbar auf die Welle 23 nahe bei ihrem innern Ende montiert, wogegen jener der Kupplung 26 von der Welle 23 aus über ein Reduktionsgetriebe antreibbar ist.
Zum zuletztgenannten Zweck ist der innere dreh bare Teil der Kupplung 26 auf einer Hülse 32 be festigt, welche um die Welle 23 angeordnet und von dieser unabhängig drehbar ist. Ein Zahnrad 33 ist auf dem einen Ende der Hülse 32 befestigt und wird von einem Zahnrad 34 aus, das auf der Antriebs welle 23 sitzt, durch miteinander verbundene Zahn räder 35 und 36 angetrieben, die auf einer dreh baren Vorgelegewelle 37 befestigt sind.
Im Betrieb kann eine direkte Antriebsverbin dung der Welle 25 mit der Antriebswelle 23 durch Erregen der Kupplung 27 allein erreicht werden, oder es ist möglich, eine niedrigere Geschwindigkeit der Abtriebswelle 25 durch Erregen der Kupplung 26 und Ausschalten der Kupplung 27 zu erreichen. Es kann gezeigt werden, dass durch gleichzeitiges Er regen beider Kupplungen das zweifache normale Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit über tragen werden kann.
Fig. 5A zeigt die Drehmoment Charakteristik einer Hysteresis-Kupplung in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, wobei die Abszisse die Dreh geschwindigkeit der Abtriebswelle und die Ordinate das positive oder negative Drehmoment darstellen. Die Linie XYZ stellt den kritischen Drehmoment bereich dar, in welchem der äussere und der innere drehbare Teil der Kupplung synchron drehen. Es ist verständlich, dass für verschiedene Punkte längs der Linie XYZ die induzierten Pole des getriebenen Teils um verschiedene Beträge gegenüber den Pol stücken des äussern drehbaren Teils verschoben sind.
Beispielsweise im Punkt Y, bei welchem das Dreh moment null ist, sind Pole (von entgegengesetzter Polarität) symmetrisch rund um den innern dreh baren Teil induziert, das heisst an Stellen, die den Polstücken des äussern Teils unmittelbar benachbart sind, wie in Fig. 5A durch das Diagramm Y ver anschaulicht ist.
Wenn das Drehmoment entlang der Linie Y-X erhöht wird, bekommt der getriebene Teil die Tendenz, bezüglich dem treibenden Teil magnetisch nachzulaufen, und die Lage der induzier ten Pole des innern drehbaren Teils wird so sein, dass die von irgendeinem bestimmten Polstück des äussern drehbaren Teils induzierte Polarität beginnt durch das benachbarte Polstück des äussern Teils umgekehrt zu werden, wie im Diagramm bei X von Fig. 5A dargestellt ist.
Zwischen den Punkten<I>X</I> und<I>D</I> hat das allen falls weiter übertragene Drehmoment seine Ursache in Wirbelströmen, die im innern Teil induziert wer den.
Analoge Überlegungen gelten für negative Dreh momente, die entlang der Linie YZ dargestellt sind und auftreten, wenn der äussere Teil bei synchronem Lauf vom innern Teil Drehmomente absorbiert. Jenseits des Punktes Z hat jedes weitere durch den äussern Teil absorbierte Drehmoment seine Ursache in Wirbelstrombremswirkungen. In beiden Fällen ist die infolge Wirbelströmen übertragene Arbeit durch eine schraffierte Fläche dargestellt,
wogegen die unschraffierte Fläche DXYO die durch die Hysteresis geleistete Arbeit veranschaulicht. Durch sorgfältige Dimensionierung und Ausbildung des ge triebenen Teils der Kupplung können die Wirbel stromeffekte vernachlässigbar klein gehalten werden.
Fig. 5B und 5C zeigen die bezüglichen Charak teristiken der Kupplungen 26 und 27, wenn diese einzeln erregt sind. Wenn nur die Kupplung 26 er regt ist, dreht die Abtriebswelle mit hoher Geschwin digkeit, bei welcher ein Betriebspunkt R gewählt sei. Wenn nur die Kupplung 27 allein erregt ist, dreht die Abtriebswelle mit niedriger Geschwindigkeit, und bei einem entsprechenden Drehmoment ergibt sich der Betriebspunkt S.
Unter der Bedingung, dass die beiden Kupplungen die gleiche Grösse haben und mit gleicher, konstanter Feldstärke erregt werden, ergibt sich die in Fig. 5D dargestellte Charak teristik als Summe der in Fig. 5B und 5C gezeigten Charakteristiken. Fig. 5D lässt erkennen, dass bei der niedrigen Geschwindigkeit das zweifache Dreh moment übertragen werden kann. Die Zeitdauer, während welcher die beiden Kupplungen erregt wer den, sollte begrenzt bleiben wegen der Gefahr unzu lässiger Erwärmung infolge Schlüpfens der rascheren Kupplung 26; diese Betriebsart ist daher für den Gebrauch bei Notfällen reserviert.
Die oben beschriebenen magnetischen Antriebs einrichtungen sind insbesondere zur Verwendung in Schutzgasatmosphären ohne Sauerstoff geeignet, in denen Kupplungen mit gleitenden Reibungsflächen unbefriedigend oder ungewiss arbeiten.
Da Wälzlager zum Betrieb an unzugänglichen Stellen, wo sie nicht für den Unterhalt zugänglich sind, eher geeignet sind als Gleitlager und gleitende Flächen, ist die beschriebene Antriebseinrichtung, die keine gleitende Reibung ergibt, besonders vorteilhaft.
Die magnetische Antriebsübertragungseinrichtung kann daher mit Vorteil zur Übertragung von Dreh bewegungen im Innern der Druckgefässe von Kern reaktoren oder innerhalb eines Reaktors Anwendung finden. Durch eine automatische Überwachung oder laufende Beobachtung des Schlupfanzeigers kann eine frühzeitige Anzeige von im Entstehen begrif fenen, unzulässigen Hemmungen in den mittels der Einrichtung angetriebenen Mechanismen erzielt wer- den.
Anstatt dessen oder zusätzlich kann die Schlupfanzeige von Zeit zu Zeit zur Messung des minimalen Drehmomentes benutzt werden, das zum Bewegen der Antriebseinrichtungen erforderlich ist, so dass das unvorhergesehene Auftreten von Rei bung in den mittels der Kupplungen angetriebenen Teilen ermittelt werden kann. Dies kann wichtig sein, wenn die Antriebseinrichtung zu einem Zweck gebraucht wird, bei welchem sie nur intermittierend in Betrieb ist.
Zum Beispiel in einem Kernreaktor werden die mechanischen Antriebe zum Herausnehmen der Brennstoffelemente nur in unhäufigen Intervallen gebraucht, aber sie müssen zuverlässig arbeiten. In einem solchen Fall kann die magnetische Antriebs einrichtung von Zeit zu Zeit erregt werden, damit nicht nur ihre eigene Betriebstüchtigkeit, sondern mit Hilfe der Schlupfanzeige auch der freie Lauf der mechanischen Teile geprüft werden kann, welche durch die Einrichtung angetrieben werden müssen.