CH682275A5 - - Google Patents

Description

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CH 682 275 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Reihenschlussmotor mit einer Bremseinrichtung, mit einem eine Feldwicklung aufweisenden Stator und mit einem rotierenden, über einen Kommutator und Bürsten gespeisten Anker, wobei zum Bremsen eine Kurzschlusseinrichtung für den Anker vorgesehen ist.

Bei derartigen Reihenschlussmotoren, insbesondere bei Motoren mit kleiner Leistung, ist es häufig wünschenswert, eine elektrische Bremseinrichtung vorzusehen, so dass beim Abschalten des Motors dieser sehr schnell zum Stillstand kommt. Beispielsweise beim Einsatz derartiger Motoren für elektrische Handwerkzeuge sprechen auch Sicherheitsgründe dafür, dass der Motor nach dem Abschalten sehr schnell zum Stillstand kommt. Oft steht ein Schneidwerkzeug, beispielsweise eine Hobelwalze, ein Sägeblatt, ein Schleifwerkzeug od.dgl., aus dem Handwerkzeug heraus, so dass es nach dem Abschalten erst dann auf eine Ablage abgesetzt werden kann, wenn der Motor vollständig zum Stillstand gekommen ist. Auch aus diesem Grunde besteht ein Erfordernis für ein schnelles Abbremsen.

Bei einer bekannten Bremseinrichtung wird das Remanenzfeld des Eisenkreises des Motors zur Einleitung der Bremserregung ausgenutzt, wobei zum Bremsen der Anker des Motors kurzgeschlossen wird. Allerdings ist bei der bekannten Bremseinrichtung durch den Wechselstrombetrieb das Remanenzfeld des Eisenkreises nicht definiert vorhanden. Dadurch ergeben sich prinzipbedingt keine reproduzierbaren Bremsvorgänge, weil das anfänglich die Erregung bewirkende Remanenzfeld vom Ausschaltzeitpunkt bestimmt wird und für eine Einleitung des Bremsvorganges zu klein sein kann. Weiterhin kann das Bremsmoment nur dann gebildet werden, wenn die Anker- oder Feldstromrichtung umgepolt wird. Reicht das initiierende Remanenzfeld aus, so wird die Feldbildung mit dem Bremsstrom erreicht, so dass ohne Regelung des Bremsstromes hohe Bremsströme kommutiert werden müssen, was zu hohem Bürstenfeuer und damit zu einem hohen Bürsten- und Kommutatorverschleiss führt. Um dies zu verhindern, müsste eine aufwendige und teure Bremsstromregelung vorgesehen werden.

Weiterhin ist in der DE-OS 363 655 eine Vorrichtung zum Abbremsen derartiger Motoren beschrieben, bei der die Einleitung der Bremserregung elektrisch bzw. elektronisch vorgenommen wird. Auch bei dieser bekannten Bremseinrichtung ist eine Umpolung der Feldwicklung erforderlich. Das einleitende Bremsfeld ist dadurch nicht konstant, weil das initiierende elektrische Feld, das durch einen Kondensatorstrom bewirkt wird, dem Remanenzfeld überlagert wird, so dass die Bremszeit nicht reproduzierbar konstant ist. Die Einleitung und Regelung der Erregung ist sehr aufwendig, deswegen ist eine zusätzliche Elektronikbaugruppe erforderlich. Die Dimensionierung der Erregerschaltung ist aufwendig, und die Bremsenergiespeicher, vorzugsweise Elektrolytkondensatoren, haben nur eine begrenzte Lebensdauer. Beim Ausfall von Bauteilen der Erregerschaltung ist eine Bremsung nicht mehr möglich. Der Bremsstrom muss auch hier noch zusätzlich geregelt werden, um eine definierte Bremszeit zu erhalten und um das Bürstenfeuer klein zu halten. Die Bremsenergie wird in einem Bremswiderstand in Wärme umgesetzt, wodurch entweder die Anzahl der aufeinanderfolgenden Bremsvorgänge begrenzt oder eine zusätzliche Kühlung der Bauteile erforderlich ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Bremseinrichtung für Reihenschlussmotoren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei einfachem und kostengünstigem Aufbau eine hohe Sicherheit beim Bremsen gewährleistet, wobei das Bürstenfeuer klein gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen Stator und Anker wenigstens ein am Stator befestigter, als Permanentmagnet ausgebildeter Bremsmagnet vorgesehen ist.

Die zur Bremsung erforderliche Energie, also die Energie zur Erregungseinleitung, wird dauermagnetisch zur Verfügung gestellt, so dass ein konstantes Bremsfeld und damit reproduzierbare Bremsvorgänge möglich sind. Elektronische Bauteile, deren Ausfall einen Bremsvorgang ausschliessen würden, sind nicht erforderlich bzw. nicht vorgesehen. Die erforderlichen Bremsmagnete sind kostengünstig herstellbar. Eine anfängliche Ankerrückwirkung, insbesondere bei hohen Motorbetriebsdrehzahlen, lässt zusätzlich als Nebeneffekt den Bremsstrom verzögert ansteigen. Weiterhin wird die gesamte Bremsenergie direkt am Motoranker umgesetzt und nicht etwa in einem zusätzlichen Bremswiderstand, gemäss dem eingangs angegebenen Stand der Technik. Der Anker hat üblicherweise eine grosse, eine Kühlung ermöglichende Oberfläche und eine sehr grosse Wärmekapazität und wird ausserdem in vielen Motoren ohnehin gekühlt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Reihenschlussmotors möglich.

Besonders günstig erweist sich die Verwendung einer derartigen Bremseinrichtung bei Universalmotoren, deren Bürsten relativ zur geometrisch neutralen Zone entgegen der Drehrichtung verschoben sind, da dann eine besonders einfache Anordnung der Bremsmagnete möglich ist, die zu kleinem Bürstenfeuer führt. Um beim Bremsen ein möglichst hohes Feld und damit einen hohen Bremsstrom zu erzielen, weist der Bremsmagnet zweckmässigerweise zum Anker hin einen sehr kleinen Spalt auf.

Als besonders günstig erweist sich eine Anordnung des wenigstens einen Bremsmagneten im Bereich zwischen zwei Statorpolen. Hierdurch ist eine einfache Befestigung ohne Umkonstruktion eines handelsüblichen Motors möglich.

Ein besonders starkes Magnetfeld kann durch die Anordnung von zwei einander gegenüberliegend in der geometrisch neutralen Zone angeordneten Bremsmagneten erreicht werden, wobei die jeweils nach innen weisenden Enden der Bremsmagnete entgegengesetzte Magnetpole aufweisen. Ein minimales Bürstenfeuer kann dadurch erreicht werden, dass nur ein Bremsmagnet in der geometrisch neutralen Zone angeordnet ist, wobei vorzugsweise die

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durch die Polanordnung des Bremsmagneten vorgebbare Richtung des Permanentmagnetfelds jeweils während einer der Halbwellen der Versorgungswechselspannung der Motor-Hauptfeldrich-tung in demjenigen Winkelbereich entgegengerichtet ist, in dem die während dieser Halbwelle einen Stromfluss zum Kommutator hin aufweisende Bürste angeordnet ist. Bei einer Motordrehrichtung im Uhrzeigersinn weist hierfür der Nordpol des Bremsmagneten zum Anker hin, und bei einer Motordrehrichtung gegen den Uhrzeigersinn weist der Südpol des Bremsmagneten zum Anker hin.

Als Kurzschlusseinrichtung ist vorzugsweise ein im nicht erregten Zustand geschlossener steuerbarer Schalter vorgesehen, der den Anker überbrückt. Dieser Schalter ist zweckmässigerweise als Relais ausgebildet. Der Bremsvorgang wird dadurch automatisch im stromlosen Zustand eingeleitet, wobei der besondere Vorteil darin besteht, dass dieser Bremsvorgang auch bei Netzspannungsausfall einsetzt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Universalmotors mit Kurzschlusseinrichtung,

Fig. 2 einen Universalmotor mit einem Bremsmagneten in einer der geometrisch neutralen Zonen während einer Spannungshalbwelle als erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 das in Fig. 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel während der anderen Spannungshalbwelle,

Fig. 4 einen Universalmotor mit zwei Bremsmagneten in den geometrisch neutralen Zonen als zweites Ausführungsbeispiel während einer Spannungshalbwelle,

Fig. 5 das in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel während der anderen Spannungshalbwelle und

Fig. 6 einen Universalmotor mit zwei Bremsmagneten in den Statorpolen als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Prinzipschaltbild ist ein Universalmotor 10 schematisch dargestellt. Er weist einen rotierenden Anker 11 auf, dessen Stromversorgung über zwei Bürsten 12, 13 und einen nicht dargestellten Kommutator erfolgt. Diese Art der Stromversorgung ist zumindest bei allen Universalmotoren gebräuchlich und bekannt. Zwei Feldwicklungen 14,15 sind jeweils mit einem Anschluss an einer der Bürsten 12, 13 angeschlossen, während der jeweils andere Anschluss mit einem zweipoligen Schalter 16 verbunden ist, über den der Universalmotor 10 mit einer Versorgungswechselspannung beaufschlagt werden kann.

Als Kurzschlusseinrichtung ist ein Relais 17 vorgesehen, dessen Relaiswicklung 18 an die über den Schalter 16 ein- und ausschaltbare Versorgungswechselspannung gelegt ist, während ein Relais-Schaltglied 19 die beiden Bürsten 12, 13 im nicht erregten Zustand des Relais 17 verbindet. Das Relais 17 ist also als Öffner-Relais ausgebildet.

Bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines Universalmotors weist ein im wesentlichen rohrförmig ausgebildeter Stator 20 zwei nach innen weisende Statorpole 21, 22 auf, zwischen denen sich der Anker 11 dreht. Auf den Statorpolen 21, 22 befinden sich die beiden Feldwicklungen 14, 15. Der Anker 11 weist in üblicher Weise eine Ankerwicklung 23 auf, wobei die Stromzuführung über die beiden Bürsten 12, 13 und einen nicht dargestellten Kommutator erfolgt. Die beiden Bürsten 12, 13 sind in den Fig. 2 und 3 nur schematisch bezüglich ihrer Winkelstellung zu den geometrisch neutralen Zonen des Erregerteils dargestellt, die sich jeweils zwischen den Statorpolen 21, 22 befinden. Bei einer realisierten Ausführungsform sind diese Bürsten 12, 13 selbstverständlich radial nach innen versetzt und liegen am Kommutator an, der auf der Ankerwelle angeordnet ist.

In der geometrisch neutralen Zone der rechten Seite ist zwischen den Statorpolen 21, 22 ein Bremsmagnet 24 am Stator 20 befestigt und bildet einen sehr kleinen Spalt 25 zum Anker 11 hin. Dabei weist der Nordpol (N) des Bremsmagneten 24 zum Anker hin, während der Südpol (S) am Stator 20 anliegt.

Der Bremsvorgang wird dadurch eingeleitet, dass der Anker kurzgeschlossen wird. Dies kann durch Ausfall der Versorgungswechselspannung oder durch Öffnen des Schalters 16 erfolgen. In beiden Fällen schliesst das Relais-Schaltglied 19 und verbindet die beiden Bürsten 12, 13 miteinander, was zu einem Kurzschluss der Ankerwicklung 23 führt. Das Einleiten des Bremsvorgangs ist nicht durch ein zusätzliches und schädliches Bürstenfeuer begleitet, weil das den Bremsstrom treibende Feld durch den Bremsmagneten 24 fest vorgegeben ist, so dass auch ein definierter Bremsstrom eingestellt werden kann. Zusätzlich lässt eine anfängliche Ankerrückwirkung bei hohen Motorbetriebszahlen als Nebeneffekt den Bremsstrom verzögert ansteigen. Die gesamte Bremsenergie wird direkt im Motoranker umgesetzt.

Zunächst lässt die Anordnung des Bremsmagneten 24 in der geometrisch neutralen Zone des Erregerteils eine Verschlechterung der Kommutierung im Normalbetrieb des Motors vermuten, da ein zusätzliches Feld durch den Bremsmagneten 24 in der neutralen Zone eingebracht wird. Eine Verschlechterung der Kommutierung würde zu verstärktem Bürstenfeuer führen. Die Universalmotoren mit Vorzugsdrehrichtung weisen jedoch eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Bürstenverschiebung entgegen der Drehrichtung auf, um die Kommutierung der Ankerwicklung 23 zu verbessern. Dies ist symbolisch durch die Winkellage der Bürsten 12, 13 dargestellt, wobei der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Universalmotor 10 eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn aufweist. Durch diese Bürstenverschiebung findet die Kommutierung nicht mehr oder nur noch zu einem kleinen Teil unter dem Einfluss dieses zusätzlichen Permanentmagnetfeldes statt. Dies wird anhand der dargestellten Magnetfelder erläutert. Dabei wird das Hauptfeld H durch durchgezogene Linien dargestellt, während das durch den Bremsmagneten 24 verursachte Permanentmagnetfeld mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Die ein5

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zelnen Pfeile im Anker 11 zeigen die jeweilige Richtung und Stärke (Pfeildicke) des Hauptfeldes H. In den Feldwicklungen 14,15 und in den einzelnen Teilwicklungen der Ankerwicklung 23 ist die jeweilige Stromrichtung durch einen Punkt bzw. die entgegengesetzte Stromrichtung durch ein Kreuz dargestellt.

Für den zeitlichen Augenblickswert einer negativen Netzspannungshalbwelle gemäss Fig. 2 fliesst der Strom aus dem Kommutator in die Bürste 12 hinein. Das Magnetfeld des Bremsmagneten 24 verstärkt an dieser Stelle das schwache Hauptfeld, was infolge dieser Stromrichtung dennoch nur ein normales Bürstenfeuer ergibt. Den Zustand während einer positiven Netzspannungshalbwelle zeigt die Fig. 3. Der Strom aus der Bürste 12 fliesst in den Konmutator, allerdings schwächt jetzt das Permanentmagnetfeld des Bremsmagneten 24 an dieser Stelle das dort schwache Hauptfeld, so dass keine Kommutierungsschwierigkeiten unter dieser Bürste auftreten. Der Einfluss des Bremsmagneten 24 auf die andere Bürste 13 ist vernachlässigbar gering. Diese Ausführungen zeigen, dass zu keinem Zeitpunkt im Normalbetrieb des Universalmotors 10 ein störendes Bürstenfeuer auftritt, so dass die Anordnung des Bremsmagneten 24 keinen nennenswerten negativen Einfluss während des normalen Betriebs ergibt.

Die für den störungsfreien Betrieb erforderliche Magnetisierungsrichtung des Bremsmagneten 24 richtet sich nach der Motordrehrichtung. Würde eine Motordrehrichtung gegen den Uhrzeigersinn vorliegen, so wäre eine umgekehrte Polarität des Bremsmagneten 24 erforderlich, wobei wiederum in üblicher Weise eine Bürstenverschiebung entgegen der anderen Drehrichtung vorliegen würde bzw. müsste.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben sind. Anstelle des einen Bremsmagneten 24 treten nunmehr zwei Bremsmagnete 30, 31, die in den beiden geometrisch neutralen Zonen des Erregerteils einander gegenüberliegend am Stator 20 angeordnet sind. Beim Bremsmagneten 30 in der rechten neutralen Zone weist der Südpol nach innen und liegt der Nordpol am Stator 20 an, während dies beim Bremsmagneten 31 umgekehrt der Fall ist. Es liegt wiederum eine Drehrichtung des Ankers 11 im Uhrzeigersinn vor.

Für den zeitlichen Augenblickswert einer negativen Spannungshalbwelle ergeben sich die in Fig. 4 dargestellten Verhältnisse. Der Strom fliesst aus dem Kommutator in die Bürste 12, wobei das Permanentmagnetfeld des Bremsmagneten 30 das schwache Hauptfeld an dieser Stelle schwächt, so dass sowohl aus diesem Grunde als auch wegen der Stromrichtung in die Bürste hinein keine Kommutierungsschwierigkeiten unter der Bürste 12 auftreten. Aus der Bürste 13 fliesst der Strom in den Kommutator hinein, allerdings ist auch hier das Hauptfeld durch das Permanentmagnetfeld des Bremsmagneten 31 an dieser Stelle geschwächt, so dass auch hier kein wesentliches zusätzliches Bürstenfeuer auftritt.

Der Zustand während einer positiven Netzspannungshalbwelle ist in Fig. 5 dargestellt. Der Strom aus der Bürste 12 fliesst in den Kommutator, gleichzeitig verstärkt das Magnetfeld des Bremsmagneten 30 das dort schwache Hauptfeld, so dass die entsprechenden Ankerteilwicklungen unter dem resultierenden Feld kommutieren, was stärkeres Bürstenfeuer verursacht. Auch bei der Bürste 13 liegt eine derartige Feldverstärkung vor, allerdings fliesst dort der Strom aus dem Kommutator in die Bürste 13 hinein, was dadurch lediglich ein normales Bürstenfeuer ergibt.

Beim zweiten Bürstenfeuer tritt daher zwar im Normalbetrieb des Universalmotors ein etwas stärkeres Bürstenfeuer auf, allerdings steht dafür beim Bremsen ein stärkeres Bremsmagnetfeld zur Verfügung oder es können kleinere bzw. kostengünstigere Magnete eingesetzt werden.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel sind zwei Bremsmagnete 32, 33 in den Statorpolen 21, 22 von innen her in entsprechenden Ausnehmungen eingelassen. Bei dieser Anordnung der Bremsmagnete 32, 33 kann sich zwar die Ver-grösserung des Luftspaltes und damit die Beeinflussung des Hauptfeldes störend auswirken, jedoch kann insbesondere bei sehr kleinen Motoren eine sehr kompakte Anordnung erzielt werden. Diese Magnetanordnung eignet sich auch für solche Motoren, bei denen in der neutralen Zone aus Platzgründen eine Befestigung nicht möglich ist.

Die erfindungsgemässe Bremseinrichtung kann ausser für Universalmotoren auch noch in entsprechender Weise für andere Reihenschlussmotoren verwendet werden.

Unter dem Begriff «Kurzschlusseinrichtung für den Anker» sind auch anders ausgebildete Stromsenken zu verstehen, z.B. ein steuerbarer Halbleiterschalter anstelle eines Relais im Kurzschlusszweig. In Verbindung mit dem steuerbaren Halbleiterschalter kann in speziellen Fällen auch eine Regelung des Kurzschlussstromes vorgesehen sein.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Reihenschlussmotor mit einer Bremseinrichtung, mit einem eine Feldwicklung aufweisenden Stator und mit einem rotierenden, über einen Kommutator und Bürsten gespeisten Anker, wobei zum Bremsen eine Kurzschlusseinrichtung für den Anker vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stator (20) und Anker (11 ) wenigstens ein am Stator (20) befestigter, als Permanentmagnet ausgebildeter Bremsmagnet (24; 30, 31 ; 32, 33) vorgesehen ist.

2. Reihenschlussmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Universalmotor, dessen Bürsten (12, 13) relativ zur geometrisch neutralen Zone entgegen der Drehrichtung verschoben sind.

3. Reihenschlussmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsmagnet (24; 30,31 ; 32,33) zum Anker (11 ) hin einen Spalt bildet.

4. Reihenschlussmotor nach einem der Ansprü-

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che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Bremsmagnet (32, 33) in wenigstens einem Statorpol (21,22) angeordnet ist.

5. Reihenschlussmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Bremsmagnet (24; 30, 31) im Bereich zwischen zwei Statorpolen (21, 22) angeordnet ist.

6. Reihenschlussmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Bremsmagnete (30, 31) einander gegenüberliegend in der geometrisch neutralen Zone angeordnet sind, wobei die jeweils nach innen weisenden Enden der Bremsmagnete (30, 31 ) entgegengesetzte Magnetpole aufweisen.

7. Reihenschlussmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Bremsmagnet (24) in einer geometrisch neutralen Zone angeordnet ist.

8. Reihenschlussmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Polanordnung des Bremsmagneten (24) vorgebbare Richtung des Permanentfelds jeweils während einer der Halbwellen der Versorgungswechselspannung der Motor-Hauptfeldrichtung in demjenigen Winkelbereich entgegengerichtet ist, in dem die während dieser Halbwelle einen Stromfluss zum Kommutator hin aufweisende Bürste (12) angeordnet ist.

9. Reihenschlussmotor nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Motordrehrichtung im Uhrzeigersinn der Nordpol des Bremsmagneten (24) zum Anker (11 ) hin weist.

10. Reihenschlussmotor nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Motordrehrichtung gegen den Uhrzeigersinn der Südpol des Bremsmagneten (24) zum Anker (11) hin weist.

11. Reihenschlussmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kurzschlusseinrichtung ein im nicht erregten Zustand geschlossener, steuerbarer Schalter (17) vorgesehen ist, der die Ankerwicklung (23) überbrückt.

12. Reihenschlussmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (17) als Relais ausgebildet ist.

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