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Elektrisch steuerbare Hysteresekupplung - Dokument DE3905216C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3905216C2 14.02.1991
Titel Elektrisch steuerbare Hysteresekupplung
Anmelder Zahnradfabrik Friedrichshafen AG, 7990 Friedrichshafen, DE
Erfinder Schneider, Rudolf, 7996 Meckenbeuren, DE
DE-Anmeldedatum 21.02.1989
DE-Aktenzeichen 3905216
Offenlegungstag 07.09.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 14.02.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.02.1991
IPC-Hauptklasse H02K 49/04

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrisch steuerbare Hysteresekupplung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, welcher ausgeht von einer Hysteresekupplungs-Bauart, die insbesondere für Zugkraftregelungen bei Wickelvorgängen eingesetzt wird. Derartige Kupplungen sind bekannt aus der DE-A 29 29 095 und dem Aufsatz "Exakte Zugkraftregelung durch Hysteresekupplungen und -bremsen" in "Antriebstechnik" 24 (1985) Nr. 6 S. 42/43. Auch ist aus FR 14 53 890 und FR 13 46 291 bekannt, die Welle einer Magnetkupplung zur Führung des magnetischen Flusses zu verwenden. DE-PS 9 50 869 zeigt noch eine Magnetkupplung innerhalb des Hohlraumes einer Welle. Daraus ist indessen keine Maßnahme zur Reduzierung des Kupplungsdurchmessers bekannt geworden.

Bei der dort dargestellten Kupplungsbauweise ist der Außendurchmesser weit größer als der der Abtriebswelle. Auch sind dort in der Regel Kupplung und Abtriebswelle axial in Reihe angeordnet, und die Kupplung erfordert zwischen der Wellenabstützung der Antriebswelle und der Abtriebswelle erheblichen axialen Bauraum. Sowohl der größere Durchmesser als auch der zusätzliche axiale Bauraumbedarf erschweren die Verwendung derartiger Kupplungen zur nachträglichen Ausrüstung entsprechender Maschinen. Wird zwischen zwei Wellenabstützungen eine glatte durchgehende Abtriebswelle benötigt, welche beispielsweise als Reibrolle für Garnspulen oder dergleichen dienen muß, stören sowohl die großen Außenmaße der Kupplung als auch ihre axiale Baulänge, weil hier sowohl eine Nabe des Polringes als auch eine Nabe des Magnetkörpers radial übereinander den lichten Durchmesser der Magnetspule bestimmen und diese zudem einen Querschnitt aufweist, dessen Länge kürzer als seine radiale Höhe ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, eine Bauweise für elektrisch steuerbare Hysteresekupplungen zu schaffen, die einen erheblich verkleinerten Außendurchmesser ermöglicht, und mit ihrer An- und Abtriebswelle verbindbar sind, ohne daß zusätzlicher axialer Platzbedarf auftritt.

Die Lösung wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 insofern erreicht, als man sich direkt der ohnehin meist aus magnetisierbarem Werkstoff bestehenden Antriebswelle selbst zur axialen Durchleitung des Magnetflusses unter dem Spulenkörper hindurch bedient. So braucht weder eine Nabe des Polringes noch des Magnetgehäuses die radiale Höhe des letzteren mitbestimmen. Polring und Anker können axial vom Spulengehäuse angeordnet und zusammen mit diesem in einen Hohlraum einer noch relativ schlanken Abtriebswelle eingeschoben sein. Das Spulengehäuse wird dabei durch eine erforderlichenfalls radial bündig in die Lageröffnung der Wellenabstützung axial einsetzbare, flanschartige Befestigungsplatte gehalten, welche gemeinsam mit dem übrigen Spulengehäuse aus magnetisierbarem Material besteht. Zwischen dem Außendurchmesser des Spulengehäuses und dem lichten Durchmesser des Hohlraumes der Abtriebswelle ist lediglich ein kleiner zusätzlicher Radialabstand für einen vom Polring spulenseitig über den polringseitigen Mantelbereich hinweggreifenden Kragen aus ferromagnetischem Material des Polringes vorzusehen. Die Abtriebswelle kann mit gleichem Durchmesser bei Bedarf das Spulengehäuse vollständig außen umschließen und bis knapp vor die Wellenabstützung herangeführt werden, so daß die Abtriebswelle, in welche die Befestigungsplatte des Spulengehäuses axial bündig eingesetzt ist, von keinem Bauteil mit größerem Durchmesser mehr überragt wird und somit unter Beibehaltung der Einbaumaße in Axialrichtung, z. B. zwischen zwei Wellenabstützungen, alle Bauelemente der Hysteresekupplung im Inneren der Abtriebswelle verschwinden.

Weitere Vorteile werden durch die mittels der Unteransprüche definierten weiteren Ausgestaltungen erreicht.

  • - Eine montagegünstige Anordnung ergibt sich dann, wenn die Abtriebswelle den auf der Antriebswelle befestigten Anker sowie den in ihr selbst festgehaltenen Polring und zumindestens einen etwa der Polringbreite entsprechenden vorderen Teil des Mantelbereiches des Spulengehäuses axial überdeckt. Dabei ist es möglich, die spulenseitige lichte Öffnung des die Hysteresekupplung aufnehmenden hohlwellenartigen Bereiches der Abtriebswelle gerade so groß zu machen, daß der dünnwandige vom Polring aus das Spulengehäuse mit engem Luftspalt axial übergreifende Kragen des Polringes aus ferromagnetischem Material alleine noch den Durchmesser bestimmt.
  • - Eine günstige axiale Hintereinanderordnung von Spulengehäuse und Polring ergibt sich dann, wenn dessen Dauermagnetpole in der üblichen Anordnung beidseits einer im äußeren Randbereich des Polringes vorgesehenen axialen Ringnut liegen, in welche der Hysteresering, welcher vom Ankerring auf dessen Polringseite axial abstehend angeformt ist, berührungslos eintauchen kann.
  • - Ein vorteilhafter Magnetfluß ergibt sich dadurch, daß die Befestigungsplatte und der Polring mit der Antriebswelle jeweils einen etwa mindestens entsprechend der radialen Höhe der Spule breiten radialen Luftspalt von vorzugsweise etwa 0,3 mm aufweisen und ein ähnlich enger Luftspalt von etwa gleicher Breite zwischen dem vom Polring über den Mantelbereich des Spulengehäuses hinwegreichenden Kragen am Umfang des Spulengehäuses vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung ergibt sich ein Magnetfluß, der radial unterhalb der Spule durch den aus ferromagnetischem Material gefertigten Bereich der Antriebswelle und radial außerhalb der Spule axial durch den Mantel des Spulengehäuses verläuft. Der Wegfall für die Magnetflußführung unwichtiger Massen, wie bei den verschiedenen Naben nach dem Stand der Technik führt dabei auch zu einer leichteren Bauweise.
  • - Eine günstige und auch nachträglich leicht anbringbare Befestigung des von der Abtriebswelle umgebenen Ankerringes kann man dadurch erreichen, daß die Abtriebswelle über dem Ankerring mit entsprechend dimensionierten Radialbohrungen versehen ist, um Madenschrauben radial durch den Anker zum Festklemmen desselben in die Antriebswelle einzuschrauben.
  • - Als besonders günstig zur Sicherstellung eines kleinen Außendurchmessers der erfindungsgemäßen Hysteresekupplung wird die Ausführung der Magnetspule mit einem langgestreckten Ringquerschnitt vorzugsweise etwa im Verhältnis Länge L = 3 × H.
  • - Wenn die Stirnseiten der Abtriebswelle sowohl über der Hysteresekupplung als auch auf dem kupplungsabgewandten Ende bis knapp vor die Wellenabstützungen herangeführt sind, eignet sich die Abtriebswelle besonders günstig als Andrückrolle einer Wickelspule bzw. auch selbst als Spulenträger mit kleinem Kerndurchmesser.
  • - Indem sowohl in der Wellenabstützung als auch nahe bei dem auf der Antriebswelle festgeklemmten Anker Wellenlager vorgesehen sind, können den Magnetfluß eventuell störende Durchbiegungen der Wellen auch bei größeren Querkräften zuverlässig vermieden werden.
  • - Die Reihen- bzw. Parallelanordnung erfindungsgemäßer Kupplungen kann mit der erfindungsgemäßen Bauweise dann besonders günstig ohne störende Streuflüsse realisiert werden, wenn benachbarte Kupplungen wechselseitig gepolte Spulen aufweisen, so daß ihre Magnetflüsse entgegengerichtet wirken.


Eine Erläuterung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand schematischer Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Längsschnittdarstellung zweier baugleicher in Reihe angeordneter Hysteresekupplungen mit gemeinsamer Antriebswelle und jeweils getrennten separat steuerbaren Abtriebswellen, welche hier als Hülsen gestaltet sind.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Hysteresekupplung in Höhe des Hystereseringes mit einer Ansicht der an sich bekannten Magnetanordnung im Polring.

In Fig. 1 ist die Antriebswelle 1 in einer Wellenabstützung 2, welche beispielsweise ein Maschinenrahmen sein kann, durch das darin eingesetzte Antriebswellenlager 3 getragen. Ein Spulengehäuse 4 ist durch eine beispielsweise flanschartige und in die Wellenabstützung 2 weit hineinsteckbare Befestigungsplatte 4.1 gegenüber der Antriebswelle 1 zentriert und drehfest gehalten. Die Platte 4.1 weist eine Mittenöffnung auf, durch welche die Antriebswelle mit einem engen, beispielsweise ca. 0,3 mm betragenden Luftspalt hindurchgesteckt ist. Zwischen der Antriebswelle 1 und der vom Spulengehäuse 4 außen umfaßten Magnetspule 5 befindet sich hier keine Nabe mehr, sondern lediglich noch ein etwas größerer Luftspalt als in der Mittenöffnung. Die der Befestigungsplatte 4.1 gegenüberliegende Stirnseite des Spulengehäuses 4 kann ohne weitere Abdeckung mit einem einige Millimeter Montagetoleranz bietenden Abstand gegenüber dem Polring 6 vorgesehen werden. Spulenseitig ist ihm ein etwa seiner eigenen Breite entsprechender und axial über das Spulengehäuse 4 teilweise hinweggreifender Kragen 6.1 mit gleichem Außendurchmesser angeformt. Auf seiner spulenabgewandten Seite befinden sich in der an sich bekannten Weise die Pole im Wechselversatz auf beiden Seiten einer in den Polring 6 auf etwa Dreiviertel seiner Breite eingearbeiteten schmalen axialen Ringnut 6.3. In diese Ringnut 6.3 taucht der dem in kurzem axialen Abstand nachgeordneten Anker 7 auf etwa dem Außendurchmesser der Spule 5 entsprechenden radialen Höhe angeformte Hysteresering 7.1 berührungslos ein. Dabei ist der Polring 6 in der zumindestens im axialen Bereich der Kupplung als Hohlwelle hülsenartig ausgebildeten Abtriebswelle 8 eingeklemmt bzw. festgeklebt oder anderweitig sicher befestigt, ohne dabei eine Berührung mit der Antriebswelle 1 zu haben. Fest auf der Antriebswelle 1 gehaltert ist jedoch der axial auf der spulenabgewandten Seite nachgeordnete Anker 7. Im Beispiel wird er axial und in Drehrichtung gehalten durch über Radialbohrungen 8.1 in der Abtriebswelle 8 eingesetzte Madenschrauben 8.2 im Anker 7. Die Abtriebswelle 8 kann unmittelbar anschließend an den Anker 7 mittels entsprechender Lager 9 gegenüber der Antriebswelle 1 geführt und abgestützt werden, um im hülsenartigen Bereich über den engen Luftspalten der Hysteresekupplung keine ungewollten Störeffekte infolge evtl. Durchbiegungen etc. auszulösen.

Bei der geschilderten Anordnung ergibt sich ein in der Befestigungsplatte 4.1 des Spulengehäuses 4 und im Polring 6 radial und in der Antriebswelle 1 und dem Mantelbereich 4.4 des Spulengehäuses 4 achsparallel verlaufender Magnetfluß, dessen Stärke und Dauer über eine im Bild nicht gezeigte, aber vorzugsweise durch die Befestigungsplatte 4.1 und die Wellenabstützung 2 herangeführte Stromversorgung beispielsweise im Sinne einer Drehzahlkonstanz bei veränderten Drehmomenten steuerbar ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Hysteresekupplung zwischen Polring und Anker mit Blick auf die Magnetanordnung im Polring 6. Die Pole 6.2 befinden sich radial beidseits des in der Axialnut 6.3 berührungslos umlaufenden Hystereseringes 7.1.

Werden zwei oder mehrere Hysteresekupplungen HK 1, HK 2 etc. in Reihe angeordnet, empfiehlt es sich, die Spule 5 jeweils in Gegenrichtung zu polen, um den Magnetfluß nicht durch Einflüsse der Nachbarmagnetfelder zu beeinträchtigen.

Bezugszeichen

1 Antriebswelle

2 Wellenabstützung

3 Antriebswellenlager

4 Spulengehäuse

4.1 Befestigungsplatte von 4

4.3 Radialabstand zwischen 4 und 8

4.4 Mantelteil

5 Magnetspule

6 Polring

6.1 Kragen an 6

6.2 Pole in 6

6.3 Ringnut in 6

7 Anker

7.1 Hysteresering

8 Abtriebswelle

8.1 Radialbohrung in 8

8.2 Madenschrauben für 7

9 Abtriebswellenlager auf 1

10 Magnetfluß


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrisch steuerbare Hysteresekupplung (HK),
    1. - insbesondere zur mit variablem Schlupf kontinuierlich in Richtung einer Drehmomentenkonstanz veränderlichen Triebverbindung einer Antriebswelle (1) mit einer dazu koaxialen Abtriebswelle (8), mit einer koaxial zur Antriebs- und Abtriebswelle liegenden Magnetspule (5), die durch ein ebenfalls aus magnetisierbarem Material bestehendes zylindrisches Spulengehäuse (4) umhüllt und gehalten wird,
  2. dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß die Antriebswelle (1) im Bereich einer sie unter Wahrung eines Radialabstandes (4.3) unmittelbar umfassenden Magnetspule (5) aus magnetisierbarem Material besteht, und die Magnetspule (5) sowie je ein ihr axial benachbarter Polring (6) und ein Anker (7) hinsichtlich ihres Durchmessers in einen Innenhohlraum der Abtriebswelle (8) passen,
    2. - und daß das Spulengehäuse (4) auf seiner dem Polring (6) abgewandten Stirnseite eine Befestigungsplatte (4.1) aufweist, deren Mittenöffnung von der Antriebswelle (1) mit engem Luftspalt durchdrungen wird.
  3. 2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß die Abtriebswelle (8) den Anker (7), den Polring (6) und zumindestens einen polringseitigen Mantelbereich (4.4) des Spulengehäuses (4) axial überdeckt,
    2. - daß der Polring (6) einen Kragen (6.1) aus magnetisierbarem Material das Spulengehäuse (4) mit engem Luftspalt teilweise axial übergreift,
    3. - und daß der Polring (6) mit der Abtriebswelle (8) mechanisch verbunden ist.
  4. 3. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der spulenabgewandten Stirnseite des Polringes (6) in an sich bekannter Weise Pole (6.2) beidseits einer axialen Ringnut (6.3) vorgesehen sind, in welche ein dem Anker (7) auf dessen Polringseite im Mittenbereich axial abstehend angeformter Hysteresering (7.1) berührungslos eintaucht.
  5. 4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (7) mittels ihn radial durchdringender Madenschrauben (8.2) auf der Antriebswelle (1) festgehalten ist, wobei die Madenschrauben durch entsprechende Radialbohrungen (8.1) in der Abtriebswelle (8) zugänglich sind.
  6. 5. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (5) mit axial langgestreckten Ringquerschnitt, vorzugsweise im Verhältnis L = 3 H ausgeführt ist.
  7. 6. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten der Abtriebswelle (1) bis knapp vor die Wellenabstützung (2) herangeführt sind, und die Abtriebswelle (8) als Wickeldorn bzw. Andrückrolle einer Wickelspule verwendbar ist.
  8. 7. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Spule (5) abgewandten Seite der Befestigungsplatte (4.1) ein Lager (3) für die Antriebswelle (1) angeordnet ist.
  9. 8. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Polring (6) abgewandten Seite des Ankers (7) ein auf der Antriebswelle (1) sitzendes Lager (9) für die Abtriebswelle (8) angeordnet ist.
  10. 9. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Reihenanordnungen an sich baugleicher Kupplungen (HK) bei in Reihe angeordneten von der gleichen Antriebswelle (1) angetriebenen Abtriebswellen (8) abwechselnd entgegengerichteter Strombeaufschlagung der Magnetspulen (5) aufweisen.






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