Magnetische Kupplung für ein Antriebsaggregat Das Hauptpatent betrifft eine magnetische Kupp lung für ein Antriebsaggregat, das wenigstens einen Elektromotor mit einer mit seinem Rotor fest verbun denen Antriebsscheibe, einer ihm gegenüber im axialen Abstand angeordneten Gegenscheibe und einer im Luft spalt zwischen den beiden Scheiben angeordneten, mit der Antriebswelle drehsteif verbundenen, jedoch auf ihr axial verschiebbaren Zwischenscheibe, die in den axialen Endlagen mit der Antriebsscheibe bzw.
mit der Gegen scheibe in Reibverbindung steht, wobei auf die Zwi schenscheibe sowohl dauermagnetisch erregte als auch elektromagnetisch erregte Kräfte einwirken und die Um schaltung der Zwischenscheibe durch die elektromagne tisch erregten Kräfte erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der dauermagnetisch erregten Kräfte die Zwischenscheibe mit einem Permanentmagneten ver sehen ist, dessen Kraftlinien sich in der einen axialen Endlage der Zwischenscheibe über die Antriebsscheibe und in der anderen axialen Endlage über die Gegen scheibe schliessen, wobei die Verschiebung von der einen in die andere axiale Endlage durch impulsweise erregte Elektromagnete erfolgt, deren magnetische Fluss- pfade von denen des Permanentmagneten abweichen.
Eine solche Kupplung verfügt über die grossen Vor teile, dass sie zum einen eine grosse Schalthäufigkeit über lange Zeiträume gestattet und dass die Zwischenscheibe grundsätzlich stets in einer stabilen Arbeitslage- steht, in der sie von dem Dauermagneten festgehalten ist. Dar über hinaus ist die Umschaltung der Zwischenscheibe durch Impulse des Elektromagneten möglich, so dass eine Dauererregung des Elektromagneten nicht erforder lich ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche Kupplung hinsichtlich ihres Aufbaues und ihrer Betäti gung weiter zu vereinfachen und ihr weitere Anwen dungsgebiete zu erschliessen. Zu diesem Zweck ist die Kupplung gemäss der Erfindung derart ausgebildet, dass die Wicklung zumindest eines Elektromagneten in der Antriebsscheibe und/oder der Gegenscheibe unterge bracht ist. Dadurch ergibt sich eine konstruktiv sehr ein- fache und übersichtliche Lösung der gestellten Aufgabe, während gleichzeitig auch die Möglichkeit der Anpas sung an die verschiedensten Betriebserfordernisse gege ben ist.
Insbesondere lässt sich hierbei der dem Hauptpatent zugrundeliegende Erfindungsgedanke in der Weise wei terbilden, dass die Kupplung als Anbaubremse vorzugs weise für einen Elektromotor gestaltet ist und die An triebsscheibe durch eine axial unverschieblich angeord nete Anlagescheibe aus magnetisch leitfähigem Material ersetzt ist, mit der die Zwischenscheibe axial verschieb- lich, jedoch drehsteif verbunden ist.
In entsprechender Weise ist auch eine Weiterbildung in dem Sinne mög lich, dass die Kupplung als Wellenkupplung gestaltet ist und die Antriebsscheibe durch eine mit einer der zu kuppelnden Wellen drehsteif verbundene Kupplungs scheibe ersetzt ist, wobei die Kupplungs-Bremsscheibe mit der anderen zu kuppelnden Welle drehsteif, aber axial verschieblich verbunden ist.
Die Ausgestaltung als Anbaubremse wie auch als Wellenkupplung ist sowohl bei einer Antriebsvorrich tung als auch bei der im Hauptpatent näher beschriebe nen Konstruktion möglich, wobei eine einfachere und deshalb in der Regel zu verwendende Konstruktion sich ergibt, wenn, wie eingangs erwähnt, die Wicklung zu mindest eines Elektromagneten in der Antriebsscheibe, d. h. der diese ersetzenden Anlagescheibe, und/oder der Bremsscheibe bzw. der diese ersetzenden Kupplungs scheibe angeordnet ist.
Die charakteristische Wirkung, nämlich die Feststellung der Kupplungs-Bremsscheibe in jeweils einer stabilen Arbeitslage sowie die Möglichkeit der Umschaltung durch Stromimpulse des Elektro magneten, die sowohl bei einer Anbaubremse wie bei einer Wellenkupplung der wie angegeben gestalteten Art vorhanden ist, bringt für diese Anwendungszwecke ganz besondere Vorteile mit sich, die die neugeschaffenen Maschinenelemente insbesondere zum Einsatz im Werk zeugmaschinenbau, für Bremsmotoren und dgl. geeignet machen.
In all diesen Anwendungsfällen kommt es näm lich auf die Möglichkeit einer grossen Schalthäufigkeit und auf ein rasches exaktes Ansprechen der Bremse bzw. der Kupplung an, während eine sog. Leerlaufbrem- sung bzw. -mitnahme ausgeschlossen sein soll.
Durch die impulsweise Schaltung und die der Zwi schenscheibe jeweils zugeordneten stabilen Arbeitslage wird diesen Anforderungen in vorzüglichem Masse Ge nüge getan.
Während in der Regel die Anordnung derart getrof fen wird, dass der Elektromagnet zwei getrennte Wick lungen aufweist bzw. zwei Elektromotoren vorgesehen sind, um die Kupplungs-Bremsscheibe - mittels der einen Wicklung - in die eine stabile Arbeitslage zu über führen und - mittels der anderen Wicklung - wieder aus dieser Arbeitslage zurückzubringen, wobei die Wicklun gen der Elektromagneten impulsweise mit Wechselstrom erregt werden können, lässt sich eine Vereinfachung in der Weise erzielen, dass lediglich mit einer Wicklung bzw. mit einem Elektromagneten das Auslangen gefun den werden kann.
Zu diesem Zwecke ist es vorteilhaft, wenn der Elektromagnet impulsweise mit Gleichstrom erregbar ist und die elektromagnetisch erregten Kräfte, abhängig von der Richtung der Impulse, im Zusammen wirken mit dem Magnetfeld des Dauermagneten die Zwischenscheibe bezüglich des Elektromagneten in der einen Impulsrichtung anziehen und in der anderen Im pulsrichtung abstossen. Damit ist es möglich, die Schalt richtung der Kupplungs-Bremsscheibe durch einfaches Umkehren der Richtung der dem Elektromagneten zu zuführenden Schaltimpulse umzukehren.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Ge genstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Elektromotor mit einer Antriebsvorrich tung im axialen Schnitt in einer Teildarstellung, Fig. 2 eine Antriebsvorrichtung in der Ausgestaltung als Anbaubremse an einen Elektromotor im axialen Schnitt in einer Teildarstellung und einer Seitenansicht, Fig. 3 und 4 zwei Ausführungsformen von Antriebs vorrichtungen in der Ausgestaltung als Lamellenbremse jeweils im axialen Schnitt und einer Teildarstellung so wie einer Seitenansicht,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Antriebs vorrichtung in der Ausgestaltung als Anbaubremse im axialen Schnitt in einer Teildarstellung sowie einer Sei tenansicht, Fig. 6 eine andere Ausführungsform einer Antriebs vorrichtung in der Ausgestaltung als Anbaubremse an einen Elektromotor im axialen Schnitt in einer Teildar stellung und einer Seitenansicht und Fig.7 eine Antriebsvorrichtung in der Ausgestal tung als Wellenkupplung im axialen Schnitt in einer Teil darstellung und einer Seitenansicht.
In Fig. 1 ist ein Elektromotor mit einer dem Haupt patent entsprechenden konstruktiven Gestaltung der zu geordneten Antriebsvorrichtung veranschaulicht. Hier bei sitzt der Läufer 1 auf einer Büchse 2, die sich frei auf der Antriebswelle 3 dreht. Mit der Büchse 2 ist eine An triebsscheibe 4 verbunden, die einen Kupplungsbelag 5 trägt und mit der eine auf der Welle 3 axial verschieb bar, jedoch drehsteif gelagerte Zwischenscheibe 8, auch Kupplungs-Bremsscheibe genannt, reibschlüssig kuppel- bar ist. Die Kupplungs-Bremsscheibe 8 trägt zwischen einer Nabe 6 und einem äusseren Scheibenteil einen fest eingefügten Permanentmagneten 7.
Koaxial zu ihr ist in einigem Abstand, entsprechend dem Luftspalt, eine Ge genscheibe 10, auch Bremsscheibe genannt, an dem La gerschild festgelagert, die einen Bremsbelag 11 trägt.
Die axiale Verschiebung der Kupplungs-Brems- scheibe 8, die in der einen stabilen Betriebslage von dem Permanentmagneten 7 an der Antriebsscheibe 4 und in der anderen stabilen Betriebslage an der Bremsscheibe 10 festgehalten werden kann, geschieht durch zwei Elektromagnete 12, 13, die oberhalb der Antriebs scheibe 4 und der Bremsscheibe 10 diese umfassend an geordnet sind. Je nachdem, ob die Wicklung 15 des Elektromagneten 13 oder die Wicklung 14 des Elektro magneten 12 impulsweise kurzzeitig erregt wird, wird die Kupplungs-Bremsscheibe 8 nach links oder rechts bewegt und hierbei von der einen in die andere stabile Arbeitslage geführt.
Die geschilderte Antriebsvorrichtung kann in der Weise abgeändert werden, dass die Wicklungen 14, 15 der Elektromagneten in die Antriebsscheibe 4 und/oder die Bremsscheibe 10 verlegt werden.
Grundsätzliche Ausführungsformen dieses Gedan kens sind in den nachfolgend beschriebenen Figuren er läutert, die sich auf als Anbaubremsen oder Wellen kupplungen gestaltete Vorrichtungen beziehen, die grundsätzlich nach dem erläuterten Prinzip arbeiten.
In der Ausführungsform nach den Fig. 2, 3, 4 und 6 ist der erfindungsgemässe Gedanke jeweils auf eine Anbaubremse angewandt: Die Antriebsscheibe 4 der Vorrichtung nach Fig. 1 ist durch eine Anlagescheibe 40 ersetzt, die aus magne tisch leitfähigem Material besteht und axial unverschieb- lich angeordnet ist, was in der Ausführungsform nach Fig. 2 beispielsweise durch die Verbindung mittels eines Schraubenbolzens 41 mit dem Lagerschild 9 geschieht, während in der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 bzw. 6 die Verbindung mit einem feststehenden Teil., beispielsweise des Gehäuses, in entsprechender Weise geschehen kann.
Die Anlagescheibe 40, die die in ihr untergebrachte Wicklung 15 trägt, welche konzentrisch zu der Welle 3 angeordnet ist, ist über Bolzen 42 mit der Kupplungs-Bremsscheibe 8 gekuppelt, wobei die Anordnung derart getroffen ist, dass die ICupplungs- Bremsseheibe 8 gegenüber der Anlagescheibe 40 zwar axial verschieblich, aber drehsteif geführt ist. Die Brems scheibe 10 mit dem Bremsbelag 11 ist starr und dreh steif auf der Welle 3 befestigt; sie ist im übrigen mit dem üblichen Lüfter 100 des nicht weiter dargestellten Elek tromotors kombiniert, der gleichzeitig auch die Belüf tung übernimmt.
Die Kupplungs-Bremsscheibe 8 besteht im übrigen aus zwei einander übergreifenden ringförmigen Teilen 6a, 6b von im wesentlichen L-förmigem Querschnitt, zwischen denen der Dauermagnet 7 eingefügt ist und deren einander benachbarte Schenkelteile bei 60 durch Luftzwischenräume getrennt sind. Anstelle eines Dauer magneten 7 können naturgemäss auch mehrere Dauer magneten treten.
Die Vorrichtung ist in Fig. 2 in einer stabilen Ar beitslage dargestellt, in der die Kupplungs-Bremsscheibe 8 von dem Dauermagneten 7 an der Anlagescheibe 40 in Anlage gehalten wird, so dass die Bremse gelüftet ist, wobei der Luftspalt zwischen dem Bremsbelag 11 bzw. der Bremsscheibe 10 und der Kupplungs-Bremsseheibe 8 liegt, so dass keine Leerlaufbremsung möglich ist und demgemäss auch keine Leerlaufverluste auftreten.
Um die Bremse einzulegen, wird durch die Wick lung 15 ein Stromimpuls geschickt, der eine solche Rich tung hat, dass das an den ringförmigen Polflächen 43, 44 entstehende magnetische Feld entgegengesetzt ist zu dem Magnetfeld, das der Dauermagnet 7 an den ent sprechenden Flächenteilen der hupplungs-Bremsscheibe 8 erzeugt.
Damit werden die magnetischen Kraftlinien auf die Streuwege abgedrängt, während gleichzeitig eine Abstossung zwischen der Kupplungs-Bremsscheibe 8 und der Anlagescheibe 40 eintritt, so dass die Kupp- lungs-Bremsscheibe 8 durch diese magnetischen Ab- stossungskräfte in ihre andere stabile Arbeitslage über führt wird, in der sie an der Bremsscheibe 10 anliegt. Um die Bremse wieder zu lüften, genügt es, durch die Wicklung 15 einen Stromimpuls umgekehrter Richtung zu schicken, der ein magnetisches Feld umgekehrter Richtung im Bereiche der Polflächen 43, 44- erzeugt, durch das die Kupplungsbremsscheibe 8 wieder an die Anlagescheibe 40 zurückgezogen. wird.
Der Gedanke, in der beschriebenen Weise die Um schaltung der Kupplungs-Bremsscheibe 8 aus der einen stabilen Arbeitslage in die andere und wieder zurück lediglich mittels einer Wicklung zustandezubringen und hierbei bei einem Schaltvorgang von den magnetischen Abstossungskräften zwischen einem geeignet erregten elektromagnetischen Feld und dem Magnetfeld des Dauermagneten Gebrauch zu machen, lässt sich grund sätzlich auch in entsprechender Weise bei den nachfol gend beschriebenen Ausführungsformen ebenso wie auch bei der Antriebsvorrichtung nach Fig. 1 verwirk lichen.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 kann dann eine der Wicklungen 14 oder 15 in Wegfall kommen, wäh rend die bleibende Wicklung in der erläuterten Weise mit Gleichstromschaltimpulsen gespeist wird.
Einen grundsätzlich ähnlichen Aufbau zeigt die in Fig.3 veranschaulichte, als Anbaubremse vorgesehene Vorrichtung: Die bei 40 dargestellte Anlagescheibe enthält die Er regerwicklung 15; sie wirkt zusammen mit der Kupp- lungs-Bremsscheibe 8, die den gleichen Aufbau wie in Fig.2 aufweist, mit der Ausnahme, dass der Teil 6b scheibenartig gestaltet ist.
Die drehsteife Verbindung der Kupplungs-Brems- scheibe 8 mit der Anlagescheibe 40 geschieht über Bol zen 42a, die unter der Wirkung einer Druckfeder 45 ste hen. Die Bolzen 42a stellen somit eine drehsteife Verbin dung zwischen der Kupplungs-Bremsseheibe 8 und der Anlagescheibe 40 dar, welche eine axiale Verschiebung der Kupplungs-Bremsscheibe 8 gestattet.
Die Kupplungs-Bremsscheibe 8 wirkt in diesem Falle mit dem Lamellenpaket 46 einer üblichen Lamel- lenkupplung zusammen, deren Nabenteil bei 47 darge stellt ist. Der Nabenteil 47 ist in bekannter Weise zur Verbindung mit einer nicht weiter dargestellten Welle eingerichtet.
Die Betätigung der Vorrichtung geschieht in der gleichen Weise, wie sie anhand der Fig. 2 bereits erläu tert worden ist, so dass bei Erregung der Wicklung 15 in der einen Richtung im Bereiche der Polflächen 43, 44 ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, das zusam men mit dem Magnetfeld des Dauermagneten 7 eine axial wirkende Abstossungskraft ergibt, die die Kupp- lungs-Bremsscheibe 8 aus der in Fig. 3 veranschaulich ten einen stabilen Arbeitslage - entsprechend der gelüf teten Bremse oder Kupplung - in die andere stabile Ar beitslage überführt,
in der die Kupplungs-Bremsscheibe 8 mit ihrem Teil 6a an dem Lamellenpaket 46 anliegt. Hierbei erzeugen die Druckfedern 45 eine zusätzliche Druckkraft, so dass eine einwandfreie Zusammenpres sung des Lamellenpaketes 46 gewährleistet ist.
Zum Lüften der Bremse wird die Wicklung 15 im umgekehrten Sinne impulsweise erregt, wobei die Er regung naturgemäss so stark sein muss, dass eine elek- tromagnetische Kraft erzeugt wird, welche auch die von den Federn 45 ausgehende Federkraft überwindet.
Während in der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 die Anlagescheibe 40 lediglich eine einzige Wick lung 15 aufweist, sind in den Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 6 jeweils zwei Wicklungen 14, 15 vorge sehen, die in ihrer Wirkung den entsprechenden Wick lungen der Vorrichtung nach Fig. 1 entsprechen und im übrigen beide konzentrisch in der feststehend angeord neten Anlagescheibe 40 untergebracht sind.
Die Kupplungs-Bremsscheibe 8 ist mit der Anlagen scheibe 40 in der gleichen Weise wie in Fig. 3 über Bol zen 42a drehsteif verbunden, die in der Anlagescheibe 40 axial verschieblich geführt sind und unter der Wir kung von Druckfedern 45 stehen. Die Bolzen 42a tra gen auf der der Kupplungs-Bremsscheibe 8 abgewand ten Seite eine aus magnetisch leitfähigem Material be stehende Gegenscheibe 48, die in axialer Richtung be weglich ist.
Soll die Kupplungs-Bremsscheibe aus der in Fig. 4 dargestellten stabilen Arbeitslage, in der das Lamellen paket 46 gegen ein Widerlager 49 angepresst und dem- gemäss die Bremse eingelegt ist, wobei die Anpresskraft von den Federn 45 geliefert wird, in die der gelüfteten Bremse entsprechende andere stabile Arbeitslage über führt werden, so genügt es, impulsweise die Wicklung 15 zu erregen, die bewirkt, dass die Kupplungs-Brems- scheibe 8 an die Anlagescheibe 40 angezogen wird, wo sie von dem Dauermagnetfeld sodann stabil festgehalten werden kann.
Soll die Bremse, ausgehend von dieser Arbeitslage, wieder eingelegt werden, so wird die Wick lung 14 impulsweise erregt, die die Gegenplatte 48 von dem von ihr erregten Magnetfeld anziehen lässt, so dass die Bolzen 42a vorgeschoben werden und die Kupp- lungs-Bremsscheibe 8 an dem Lamellenpaket 46 zur Anlage kommt, das sodann im übrigen durch die Federn 45 zusammengepresst wird.
Eine Ausführungsform, bei der die Umschaltung der Kupplungs-Bremsscheibe entsprechend Fig.2, 3 durch eine einzige Wicklung 15 erfolgt, diese Wicklung jedoch nicht in der Anlagescheibe untergebracht ist, ist in Fig. 5 veranschaulicht: Die Wicklung 15 ist in der Bremsscheibe 10a unter gebracht, die ihrerseits starr mit dem Lagerschild 9 ver bunden ist und in dem Bereich vor der Wicklung 15 den Bremsbelag 11 trägt, während bei 43, 44 wieder ringför mige Polflächen ausgebildet sind.
Die Kupplungs-Brems- scheibe 8 ist mittels eines Keiles 50 drehsteif, jedoch axial verschieblich mit der Welle 3 verbunden, während die Antriebsscheibe 4 ebenfalls mit der Welle 3, aller dings starr, gekuppelt ist und im übrigen den Motor lüfter 100 trägt.
In der dargestellten stabilen Arbeitslage wird die Welle 3 abgebremst, weil die Kupplungs-Bremsscheibe 8 von dem Magnetfeld des Dauermagneten 7 an der Bremsscheibe 10a gehalten wird, während die Antriebs scheibe 4 von der Kupplungs-Bremsscheibe 8 durch den Luftspalt getrennt ist.
Soll die Bremse gelüftet werden, so wird die Wick lung 15 in dem Sinne impulsweise erregt, dass, wie an hand der Fig. 2 erläutert, die Kupplungs-Bremsscheibe durch die im Zusammenwirken zwischen dem Elektro magnetfeld und dem Dauermagnetfeld entstehenden axialen Abstossungskräfte auf die Antriebsscheibe 4 zu bewegt wird, an der sie sodann von dem Magnetfeld des Dauermagneten 7 festgehalten werden kann. Zum Ein legen der Bremse wird die Wicklung 15 kurzzeitig im umgekehrten Sinne erregt, wie dies auch bereits erläu tert worden ist.
Selbstverständlich lässt sich der Gedanke der Unter bringung der Wicklung 15 in der i remsscheibe auch bei den übrigen veranschaulichten Ausführungsformen ver wenden, wie es auch grundsätzlich möglich ist, etwa bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 2 oder Fig. 5 in der Antriebs- bzw. Anlagescheibe und in der Brems scheibe jeweils eine Wicklung 14 und 15 anzuordnen, die sodann entsprechend der Vorrichtung nach Fig. 1 wirken.
Die Vorrichtung nach Fig. 5 lässt sich auch ohne weiteres als Wellenkupplung umgestalten, wie dies in Fig.7 dargestellt ist. Der Aufbau der Vorrichtung ist völlig der gleiche geblieben, lediglich die Antriebsscheibe ist durch eine Kupplungsscheibe 400 ersetzt, die mit einer eigenen Welle 3a gekuppelt ist, wobei sie mit einem Reibbelag 5 versehen ist. Grundsätzlich ist hierzu zu bemerken, dass alle beschriebenen Vorrichtungen, ein- schliesslich jener nach Fig. 1, ohne weiteres als Wellen kupplungen verwendet werden können, wenn nur die Antriebs- bzw.
Anlage- und die Bremsscheibe in ent sprechender Weise mit je einer der beiden zu kuppeln den Wellen verbunden werden.
Eine Kombination schliesslich der in den Fig. 2 und 4 dargestellten konstruktiven Lösungen ist noch im Fig. 6 veranschaulicht, bei der entsprechend der Ausfüh rungsform nach Fig. 4 zwei Wicklungen 14, 15 vorgese hen sind, während im übrigen gleichbezeichnete Teile entsprechend den Teilen in den erwähnten Figuren iden tisch sind, so dass sich im Hinblick darauf eine weitere Erörterung der grundsätzlich anhand von Fig. 4 geschil derten Wirkungsweise erübrigt.
Als unterschiedliches Merkmal ist hier der Anlagescheibe 40 eine zusätzliche Scheibe 40a aus einem magnetisch leitfähigem Material zugeordnet, die im Bereiche des zwischen den Teilen 6a, 6b der Kupplungs-Bremsscheibe liegenden einen Luft spaltes 60 liegt und in der einen stabilen Arbeitslage den magnetischen Rückschuss für die magnetischen Kraft linien des Dauermagneten 7 bildet.
Im übrigen wäre es denkbar, sowohl bei den Ausfüh rungsformen bei den Fig. 2-7 wie auch bei der Ausfüh rungsform nach Fig. 1 eine Kupplungs-Bremsseheibe 8 vorzusehen, die aus zwei L-förmigen Teilen 6a, 6b be steht, die sich jedoch klauenartig an einander zugeord neten Bereichen (etwa bei 60) durchgreifen, wie dies beispielsweise in ähnlicher Weise bei Klauenpolmotoren bekannt ist.