DE3136132C2 - Zentraldrehkupplung - Google Patents
ZentraldrehkupplungInfo
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Abstract
Beschrieben ist ein verbessertes Kühlsystem für eine magnetische Durchführungskupplung. Diese hat ein an einem Ende einer Abtriebswelle angeordnetes, mit Magneten bestücktes Abtriebsteil, welches in einem hermetisch abdichtend an einem Druckbehälter angeschlossenen Gehäuse angeordnet ist. Innerhalb des Druckbehälters ist eine anzutreibende Vorrichtung an der Abtriebswelle anschließbar. Eine einen Teil des Gehäuses darstellende, magnetisch durchlässige Gassperre umschließt das Abtriebsteil mit seinen Magneten. Ein die Gassperre umgebendes, eine Anordnung von Antriebsmagneten enthaltendes ringförmiges Gehäuse ist mit einer Antriebsquelle verbunden, so daß seine Drehung durch magnetische Wechselwirkung eine Drehung des Abtriebsteils bewirkt. Das ringförmige Gehäuse hat eine Anzahl von Längsschlitzen für den Zutritt von Kühlluft zur Gassperre, um den bei der Übertragung von großen Drehmomenten und hohen Drehzahlen durch Wirbelströme darin hervorgerufenen Temperaturanstieg in Grenzen zu halten. Diese Art der Kühlung ermöglicht eine Verringerung der Breite des Luft spalts zwischen dem Antriebsteil und der Gassperre und damit die Übertragung von großen Drehmomenten und hohen Drehzahlen, welche in Abwesenheit der verbesserten Kühlung aufgrund der dabei entstehenden Wirbelströme zu einer unzulässigen Erhitzung führen würden.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Zentraldrehkupplung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Eine derartige Kupplung ist aus der US-PS 41 84 090 bekannt.
- Solche Zentraldrehkupplungen werden insbesondere in Verbindung mit Behältern eingesetzt, die sehr hohe Innendrücke von beispielsweise bis zu etwa 350 kp/cm2 aufnehmen müssen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist eine Dekompressionskammer für Tiefseetaucher. Eine solche Dekompressionskammer benötigt eine Antriebsquelle für verschiedene Geräte und Aggregate, beispielsweise für ein Gebläse zum Umwälzen des Atemgasgemisches über ein Gasreinigungssystem, in dem Kohlendioxid aus dem Atemgas entfernt wird.
- Aus Sicherheitsgründen ist die Verwendung von Elektromotoren in der Dekompressionskammer nicht sinnvoll, so daß diese Geräte von außen her angetrieben werden müssen.
- Zu diesem Zweck ist aus der US-PS 41 84 090 eine Zentraldrehkupplung der angegebenen Gattung mit in Umfangsrichtung abwechselnd gepolten Permanentmagneten auf der Antriebs- und Abtriebsseite, mit einem Spalttopf und mit einem zur Kühlung der Zentraldrehkupplung dienenden Gebläse bekannt, dessen Saugluftstrom in axialer Richtung am Spalttopf entlang streicht.
- Obwohl diese Zentraldrehkupplung für die Antriebsübertragung bei niedrigem Drehmoment und niedriger Drehzahl geeignet ist, treten bei höheren Antriebsleistungen Wirbelstromverluste und dadurch eine unzulässige Erwärmung der verschiedenen Aggregate auf. Die zur Vermeidung einer Überhitzung erforderliche Verbesserung der Kühlung läßt sich durch Verbreiterung des Spaltes erreichen. Andererseits ist jedoch das übertragbare Drehmoment etwa umgekehrt proportional zur Breite des Spaltes, d. h., eine Vergrößerung dieses Spaltes führt wiederum zu Einschränkungen in Bezug auf das übertragbare Drehmoment.
- Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Zentraldrehkupplung der angegebenen Gattung zu schaffen, mit der eine bessere Kühlung bei kleinem Luftspalt erreicht werden kann.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
- Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.
- Aus der DE-PS 10 41 143 ist eine Elektromagnetbremse für umlaufende Wellen, also ein Wirbelstrombremse bekannt, deren Erregerteil ruht, elektrisch erregt ist und eine relativ leichte und offene Bauweise hat, die nur bei ruhenden oder allenfalls langsam laufenden Konstruktionen eingesetzt werden kann.
- Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß die Schlitze der Kühlluft den leichten, ausreichenden Zugang zum Spalttopf ermöglichen, wodurch eine ausreichende Kühlung bei extrem schmalem Luftspalt gewährleistet wird. Der Luftspalt zwischen dem Rückschlußgehäuse und dem Spalttopf dient nur zur mechanischen Trennung dieser beiden Komponenten, kann also unter Berücksichtigung der mechanischen Toleranzen extrem schmal ausgelegt werden. Dadurch wird wiederum die Übertragung von relativ großen Drehmomenten möglich.
- Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Schlitze über die gesamte Länge des Rückschlußgehäuses, um den ungehinderten Zutritt der Kühlluft zu ermöglichen.
- Für die Zuführung der Kühlluft stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. So kann als Antriebsquelle für diese Zentralkupplung ein gebläsegekühlter Antriebsmotor verwendet werden, dessen Gebläse dann auch die Kühlluft für die Zentraldrehkupplung erzeugt.
- Als Alternative hierzu kann die Zentraldrehkupplung mit Schaufeln zum radialen Einziehen von Kühlluft in den jeweiligen Schlitz bei der Drehung der Zentraldrehkupplung versehen sein. Schließlich läßt sich auch ein mit axial ausgerichteten Schaufeln bestücktes Gebläse verwenden, das den Vorteil der Unabhängigkeit vom Drehsinn bietet.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
- Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Zentraldrehkupplung,
- Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A von Fig. 1,
- Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie B-B von Fig. 2,
- Fig. 4 eine Seitenansicht einer Zentraldrehkupplung mit einer anderen Ausführungsform für die Zuführung der Kühlluft,
- Fig. 5 eine Stirnansicht der Ausführungsform nach Fig. 4,
- Fig. 6 eine Teil-Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Kühlluft-Zufuhr,
- Fig. 7 eine Stirnansicht der Ausführungsform nach Fig. 6,
- Fig. 8 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Kühlluft-Zufuhr,
- Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie C-C von Fig. 8,
- Fig. 10 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Kühlluft-Zufuhr, und
- Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie D-D von Fig. 10.
- Fig. 1 stellt die Befestigung einer Zentraldrehkupplung 10, die im folgenden auch als "magnetische Kupplung 10" bezeichnet werden soll, an der Wand 12 eines Hochdruckbehälters dar.
- Fig. 1 zeigt die Befestigung einer magnetischen Kupplung 10 an der Wand 12 eines Hochdruckbehälters. Ein Anschlußflansch 14 ist mittels in gleicher Umfangsabständen angeordneter Kopfschrauben 16 an der Wand 12 angebracht. Ein zu dem Flansch 14 koaxiales, zylindrisches Gehäuseteil 18 ragt um ein Stück in eine Öffnung 20 der Wand 12 hinein. Eine Rundringdichtung 22 sitzt in einer Ringnut 24 des Gehäuseteils 18 und befindet sich in Anlage an der Innenwand der Öffnung 20, um die Abdichtung des Innenraums des Druckbehälters gegenüber der freien Umgebung zu gewährleisten.
- In einer das zylindrische Gehäuseteil 18 durchsetzenden Axialbohrung 26 sind in gegenseitigem Abstand Lager 28, 30 für eine Abtriebswelle 32 in der Bohrung 26 angeordnet. Die Welle steht aus dem offenen Ende der Bohrung 26 in den Druckbehälter hinein hervor, so daß eine anzutreibende Vorrichtung daran anschließbar ist. Nahe den Lagern 28, 30 in die Bohrung 26 eingesetzte Seegerringe 34, 36 schützen die Lager vor dem Eindringen von Staub und Schmutz und verhindern eine Axialbewegung der Lager in der Bohrung 26. Die Lager sitzen jeweils auf einem einen verkleinerten Durchmesser aufweisenden Abschnitt der Welle 32. Das Lager 30 ist durch eine sich einerseits an dem Lager selbst und andererseits unter Zwischenlage einer Haltescheibe 42 am Seegerring 36 abstützende Federscheibe 40 in Anlage an einem durch den vorderen Abschnitt kleineren Durchmessers gebildeten Absatz 38 der Welle 32 vorgespannt. Die Welle 32 ist vorzugsweise aus einem nicht magnetischen und je nach dem Verwendungszweck aus korrosionsbeständigen Werkstoff, z. B. aus rostfreiem Stahl des Typs 316, hergestellt.
- Der vordere Teil der Welle 32 läuft in einem durch eine Stufe 46 abgesetzten, noch weiter verjüngten Endstück 44aus. Auf dem Endstück 44 ist ein Abtriebsteil 48 der Kupplung befestigt. Dieses hat ein ringförmiges Gehäuse 50 mit einem Teil 52 größeren und einem Teil 54 kleineren Durchmessers. Das Gehäuse 50 sitzt in Gleitpassung auf dem Endstück 44 der Welle und ist durch einen in Eingriff mit Nuten 58, 60 am Endstück 44 der Welle bzw. an der Innenseite des Gehäuses befindlichen Keil 56 gegen Verdrehung gesichert. Eine das Teil 54 kleineren Durchmessers des Gehäuses 50 durchsetzende Madenschraube 62 stützt sich auf dem Keil 56 ab, um das Abtriebsteil 48 gegen Axialverschiebung auf dem Endstück 44 der Welle zu sichern.
- In dem den größeren Durchmesser aufweisenden Teil 52 des Gehäuses 50 sind mehrere Paare 64 von entgegengesetzte Polarität aufweisenden Permanentmagneten 66, 68 eingebettet. Die Abstände zwischen den Magneten der einzelnen Paare 64 sind kleiner als die Umfangsabstände der Paare untereinander. Bei den Magneten 66, 68 handelt es sich vorzugsweise um Hochleistungs-Permanentmagnete, beipielsweise aus Samarium-Kobalt od. dergl.
- Das zylindrische Gehäuseteil 18 läuft nahe dem Lager 30 in einen radial nach außen vorstehenden Flansch 70 aus, an welchem mittels Kopfschrauben 72 od. dergl. ein zylindrischer Spalttopf 74 befestigt ist. Das Abtriebsteil 48 ist durch eine zylindrische Umfangswand 76 und eine damit einstückige Endwand 78 des Spalttopfes vollständig umschlossen. Ein in einer Aussparung 82 am Ende des Gehäuseteils 18 sitzender Rundring 80 dichtet die Verbindung zwischen dem Spalttopf 74 und dem Gehäuseteil 18 ab. Der Spalttopf 74 ist gegen hohe Gasdrücke widerstandsfähig und vorzugsweise aus einem einen hohen spezifischen Durchgangswiderstand aufweisenden Metall gefertigt, um die Entwicklung von Wirbelströmen und die sich daraus ergebenden Verluste möglichst gering zu halten. Je nach dem Verwendungszweck der Kupplung kann der Spalttopf etwa aus Titan, Nickel-Chrom, Hastalloy (Wz) oder rostfreiem Stahl gefertigt sein. Der Spalttopf 74, der Anschlußflansch 14 und das zylindrische Gehäuseteil 18 können natürlich auch einstückig gasdicht ausgeführt sein. Aus wirtschaftlichen Gründen empfiehlt es sich jedoch, die genannten Teile einzeln zu fertigen und sie gasdicht miteinander zu verbinden.
- Der Antrieb für das Antriebsteil 48 und die Welle 32 wird von einem Antriebsteil 84 geliefert, welches über eine Antriebswelle 86 mit einem (nicht gezeigten) Antriebsmotor z. B. einem Elektromotor oder einem hydraulischen Motor verbunden ist. Das Antriebsteil 84 hat ein Rückschlußgehäuse 88 mit einem unverdrehbar auf die Antriebswelle 86 aufgekeilten Nabenteil 90. Eine Madenschraube 92 hält das Gehäuse 88 auf einem in entsprechenden Nuten sitzenden Wellenkeil 94 fest.
- Wie man in Fig. 2 erkennt, enthält das Rückschlußgehäuse 88 ein Innengehäuse 96, welches sich mit seiner Außenfläche in satter Anlage an der Innenfläche des Außengehäuses 88 befindet und in seiner Endwand eine Mittelöffnung 98 für die Aufnahme des Endes der Welle 86 hat. Die zylindrische Innenfläche des Innengehäuses 96 ist der Außenform des Spalttopfes 74 möglichst genau angepaßt und umgibt diese unter Freilassung eines äußerst schmalen Spalts G. Die starre Verbindung zwischen den beiden Gehäusen 88 und 96 erfolgt mittels in Umfangsabständen angeordneter Kopfschrauben 102, welche im Gehäuse 88 geformte Bohrungen 104 radial durchsetzen und in das Innengehäuse 96 eingeschraubt sind. Die Köpfe der Schrauben 102 halten einen Stützring 106 aus Flußeisen auf dem äußersten Umfang des Gehäuses 88 fest. Der Ring 106 dient dazu, die bei der Drehung der Kupplung auftretenden Fliehkräfte aufzunehmen.
- Das Gehäuse 88 besteht aus Flußeisen und das Innengehäuse 96 aus der gleichen Aluminiumlegierung wie das Gehäuse 50 des Abtriebsteils. Das Innengehäuse 96 enthält mehrere in Umfangsabständen angeordnete Paare 108 von Permantmagneten 110, 112, welche in der in Fig. 3 gezeigten Stellung den Magneten 66 bzw. 68 des Abtriebsteils radial gegenüberstehen. Die Magnete 110, 112 weisen einander entgegengesetzte Polarität auf und können in der gleichen Weise und aus dem gleichen Werkstoff ausgeführt sein wie die Magnete 66, 68 des Abtriebteils. In Fig. 3 ist der in der gezeigten Stellung vorhandene magnetische Kreis durch eine gestrichelte Linie M angedeutet.
- Die beiden Gehäuse 88 und 96 sind in Umfangsrichtung nicht geschlossen, sondern zwischen den Magnetpaaren 108 von miteinander fluchtenden radialen Schlitzen 114 bzw. 116 durchsetzt. In der dargestellten Ausführungsform mit vier Magnetpaaren 108 weisen die Gehäuse 88 und 96 somit vier solche Schlitze 114 bzw. 116 auf. Die Schlitze 114, 116 erstrecken sich über die gesamte Länge der Gehäuse und verlaufen in Längsrichtung durch die Endwände 100, 117 derselben hindurch. Die Ausbildung der Schlitze 114, 116 in den Gehäusen 88 bzw. 96 ermöglicht es, die Breite des Luftspaltes G im Vergleich zu bekannten Kupplungen dieser Art beträchtlich zu verringern, ohne dabei den Kühlluftstrom zu beeinträchtigen, so daß die bisherige Beschränkung des übertragbaren Drehmoments entfällt.
- Die Zufuhr der Kühlluft zum Antriebsteil 84 kann auf verschiedene Weise erfolgen, wie nachstehend anhand der Ausführungsbeispiele nach Fig. 4 bis 11 erläutert wird. In den folgenden Ausführungen sind die Schlitze 114, 116 jeweils gemeinsam als "Schlitz" 118" bezeichnet.
- Bei der in Fig. 4 und 5 dargestellten ersten Ausführungsform ist die Antriebswelle 86 der magnetischen Kupplung 10 an einen gebläsegekühlten Elektromotor 120 angeschlossen. Der Motor 120 ist mit Stützen 124 auf einer Unterlage 122 montiert. Eine den Motor 120 und die Kupplung 10 im wesentlichen über die gesamte Länge überdeckende Verkleidung 126 ist mit nach außen abgewinkelten Längsrändern 128 unter Verwendung von Schrauben od. dergl. auf der Unterlage 122 befestigt und an beiden Enden offen, so daß das Kühlgebläse des Motors Luft durch Einlaßschlitze 130 ansaugen und sie, wie in Fig. 4 durch Pfeile angedeutet, nach links ausblasen kann. Die Verkleidung 126 hindert die Kühlluft daran, in Radialrichtung zu entweichen, so daß sie das Rückschlußgehäuse 88 bestreicht und ein Teil der Kühlluft entlang den Schlitzen 118 des Antriebsteils strömt. Diese Luft kühlt den Spalttopf 74 und verringert damit seine Erhitzung durch Wirbelströme. Anschließend entweicht die Luft aus dem offenen hinteren Ende der Verkleidung.
- Bei der in Fig. 6 und 7 dargestellten zweiten Ausführungsform ist der Antrieb der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Bei dieser Auführungsform trägt das Rückschlußgehäuse 88 sich in Längsrichtung erstreckende Schaufeln 132. Die Schaufeln 132 haben jeweils etwa S-förmige Querschnitte, dessen unterer Schenkel 134 mittels Maschinenschrauben 136 od. dergl. entlang einem Rand jeweils eines Schlitzes 118 am Gehäuse 88 befestigt ist. Der gewölbte äußere Schenkel 138 der jeweiligen Schaufel 132 steht nach außen vor und ist über den jeweiligen Schlitz 118 hinweg gekrümmt. Bei der Drehung des Gehäuses in der in Fig. 7 durch einen Pfeil angegebenen Richtung lenken die Schaufeln 132 Kühlluft radial nach innen in die Schlitze 118, so daß sie den Spalttopf 74 kühlt. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen nur für einen vorbestimmten Drehsinn verwendbar, wenngleich auch bei einer Drehung in entgegengesetztem Sinn an der Rückseite der Schaufeln ein Unterdruck entsteht, welcher eine gewisse Luftströmung entgegen der durch die Pfeile angedeuteten Richtung hervorruft. Eine solche gegensinnige Drehung ist jedoch vorzugsweise auf kürzere Zeitspannen zu beschränken, da hierbei die Kühlwirkung geringer ist als beim Betrieb in dem vorbestimmten Drehsinn.
- Bei der in Fig. 8 und 9 gezeigten dritten Ausführungsform ist die magnetische Kupplung 10 an einen Motor 120 angeschlossen. Das Gehäuse 88 trägt hier eine etwa becherförmige Verkleidung mit einer eng an der Außenfläche des Gehäuses 88 anliegenden, geschlossenen Umfangswand 140 und einer nahe dem freien Ende des Nabenteils 90 angeordneten Stirnwand 142 welche eine Mittelöffnung 144 aufweist, durch die das Nabenteil 90 um ein Stück vorsteht. Ein unverdrehbar auf dem Nabenteil 90 befestigter Nabenring 146 trägt mehrere, in der gezeigten Ausführungsform vier, axial ausgerichtete Schaufeln 148. Bei der Drehung der Kupplung saugen die Schaufeln 148 Kühlluft durch die Öffnung 144 hindurch an und blasen sie, wie durch die Pfeile angedeutet, entlang den Schlitzen 118 zum linksseitigen Austrittsende des Gehäuses 88. Die Verkleidung 140 verhindert während der Drehung das Entweichen der Luft in Radialrichtung. Diese Ausführungsform ist für den Betrieb in beiden Drehrichtungen ohne Beeinträchtigung der Kühlleistung geeignet.
- Die in Fig. 10 und 11 dargestellte vierte Ausführungsform der Kühlluftzufuhr ist ähnlich der in der kanadischen Patentschrift 10 51 964 beschrieben. Ein mit dem Antriebsteil der magnetischen Kupplung 10 fest verbundenes Radialgebläse 150 hat ein sich in Längsrichtung des Rückschlußgehäuses erstreckende, eine geschlossene Umfangswand bildende Verkleidung 152, an der eine abgeschrägte Ringwand 154 nach außen vorsteht. Am Nabenteil 90 des Gehäuses 88 steht eine zweite Ringwand 156 bis etwa zur Höhe des Außenrands der ersten Ringwand 154 vor. In dem Zwischenraum zwischen den beiden Ringwänden 154, 156 sind mehrere radiale Schaufeln 158 angeordnet (Fig. 11). Bei der Drehung der Kupplung wird Kühlluft am linksseitigen Ende des Gehäuses 88 in die Schlitze 118 eingesaugt (Fig. 10). Die Luft kühlt den Spalttopf 74 und wird anschießend von dem rotierenden Gebläse 150 in Radialrichtung ausgeblasen, wie durch Pfeile angedeutet ist. Diese Ausführungsform ist ebenfalls nicht auf den Betrieb in nur einem Drehsinn beschränkt.
Claims (8)
1. Zentraldrehkupplung
a) mit in Umfangsrichtung abwechselnd gepolten Permanentmagneten auf der Antriebs- und Abtriebsseite,
b) mit einem Spalttopf, und
c) mit einem zur Kühlung der Zentraldrehkupplung dienenden Gebläse, dessen Saugluftstrom in axialer Richtung am Spalttopf entlangstreicht.
dadurch gekennzeichnet, daß
d) mehrere, in Längsrichtung ausgerichtete Schlitze (118) vorgesehen sind, die sich durch das Rückschlußgehäuse (88) und zwischen benachbarten Paaren (108) von Permanentmagneten (110, 112) auf der Antriebsseite hindurch erstrecken, und daß
e) der Saugluftstrom auch durch die Schlitze (118) hindurch verläuft.
2. Zentraldrehkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
f) sich die Schlitze (108) über die gesamte Länge des Rückschlußgehäuses (88) erstrecken.
3. Zentraldrehkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
g) auf der Antriebsseite das Rückschlußgehäuse (88) einstückig mit einem Nabenteil (90) aus Flußeisen ausgebildet ist, und daß
h) die Permanentmagnete (110, 112) in eine Aluminiumlegierung eingebettet sind.
4. Zentraldrehkupplung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
i) das Gebläse einen mit der Antriebswelle (86) verbundenen, gebläsegekühlten Antriebsmotor (120) und eine den Antriebsmotor (120) und die Zentraldrehkupplung (10) umgebende Verkleidung (126) aufweist.
5. Zentraldrehkupplung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
j) das Gebläse eine becherförmige Verkleidung mit einer das ringförmige Rückschlußgehäuse (88) umgebenden Umfangswand (140) und mit einer Stirnwand mit einer von der Antriebswelle (86) durchsetzten Öffnung (144) aufweist und als Axialgebläse ausgebildet ist.
6. Zentraldrehkupplung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
k) das Gebläse sich in Längsrichtung erstreckende, jeweils nahe einem der Schlitze (180) am ringförmigen Rückschlußgehäuse (84) befestigte, nach außen und in Drehrichtung vom ringförmigen Rückschlußgehäuse (88) vorstehende Schaufeln (132) zum radialen Einziehen von Kühlluft in den jeweiligen Schlitz (118) bei der Drehung der Zentraldrehkupplung (10) aufweist.
7. Zentraldrehkupplung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
l) das Gebläse als Radialgebläse mit einer den Umfang des ringförmigen Rückschlußgehäuses (88) umgebenden Verkleidung (152), mit einer von der Verkleidung nach außen vorstehenden ersten Ringwand (154), mit einer in axialem Abstand von der ersten Ringwand (154) nach außen über das ringförmige Rückschlußgehäuse (88) vorstehenden zweiten Ringwand (156) und mit mehreren Schaufeln (158) zwischen den beiden Ringwänden (154, 156) ausgebildet ist.
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