DE10046903C2 - Elektromagnetische Bremse für einen elektrischen Antrieb - Google Patents
Elektromagnetische Bremse für einen elektrischen AntriebInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Bremse
für einen elektrischen Antrieb mit einem Bremsenkörper, der
einen Magnet, eine elektromagnetische Spule, einen Außenpol
und einen Innenpol umfasst, wobei der Bremskörper fest mit
dem Ständer des elektrischen Antriebs verbunden ist, sowie
mit einer Ankerscheibe, die mit der drehbaren Welle des
elektrischen Antriebs fest verbunden ist, wobei die Anker
scheibe über einen Luftspalt mit dem Außenpol, dem Innenpol
und dem Dauermagnet einen magnetischen Kreis bildet, wobei
der Luftspalt über einen in der elektrischen Spule fließenden
Strom so beeinflussbar ist, dass zwischen der Ankerscheibe
und einem Pol des Bremskörpers eine Reibkraft zur Bildung ei
nes Drehmomentes erzeugbar ist.
Solche bekannten magnetischen Bremsen werden vor allem für
elektrische Antriebe eingesetzt, wo sie vor allem für den
Einsatz als Haltebremse in Servomotoren gedacht sind. Die
Bremse muss im Stande sein, den Antrieb im spannungsfreien
Zustand spielfrei festzuhalten sowie den Antrieb im Notfall
aus einer gewissen Drehzahl bei einem gewissen Trägheitsmo
ment abzubremsen (Notstopp).
Mit Hilfe einer elektromagnetischen Bremse, auch unter dem
Begriff Permanentmagnetbremse bekannt, soll ein Bremsmoment
erzeugt werden, das während der Lebensdauer der Bremse so we
nig wie möglich schwankt.
Bisher wurde dieses Problem mit Permanentmagnetbremsen ge
löst, die wie in der im folgenden beschriebenen Fig. 2 darge
stellt aufgebaut sind.
Dabei ist ein Bremskörper bestehend aus einer elektrischen
Spule 5, einem Außenpol 2, einem Innenpol 4 sowie einem Mag
net 1 gezeigt. Der Bremskörper ist fest mit dem Ständer 9 des
Motors verbunden. Der Magnet ist in der Regel als Dauermagnet
ausgestaltet.
Eine Ankerscheibe 6 ist über eine Feder 7 verdrehsicher mit
dem Läufer und der Welle 8 des Antriebs verbunden. Der Dauer
magnet 1 erzeugt ein Magnetfeld, das im Bereich des Innenpols
4 (Radius R2) und des Außenpols 2 (Radius R1) senkrecht aus
der Ankerscheibe 6 austritt. Dabei wird herkömmlicherweise
der Radius R2 des Innenpols sehr viel kleiner als der Radius
R1 des Außenpols gewählt.
Dadurch entstehen magnetische normale Anziehungskräfte im Be
reich des Innenpols 4 und Außenpols 2 auf die Ankerscheibe 6.
Über einen in der Spule 5 fließenden Strom wirkt letztere als
Elektromagnet auf den magnetischen Kreis aus Bremskörper und
Ankerscheibe ein. Im stromlosen Zustand der elektrischen
Spule 5 ist kein Luftspalt 3 vorhanden. Wird ein Strom einge
speist, so wird das Feld des Dauermagneten 1 durch den Elek
tromagneten 5 aufgehoben und die Feder 7, in Fig. 2 eine Spi
ralfeder, zieht die Ankerscheibe 6 zurück (vom Pol weg).
Durch Reibung des Außenpols 2 an einer ersten Reibfläche 10
und des Innenpols 4 an einer zweiten Reibfläche 11 mit der
Ankerscheibe 6 entsteht ein Drehmoment, welches die Brems
kraft erzeugt.
Durch Reibarbeit wird während der Lebensdauer der Bremse Ma
terial im Bereich der Reibflächen 10, 11 des Innenpols 4 und
des Außenpols 2 abgetragen und der Kontakt der Ankerscheibe 6
mit den Polen kann zwischen Innenpol 4 und Außenpol 2 schwan
ken. Der das Drehmoment bestimmende wirksame Radius (R1 und
R2 mit gleich starker oder unterschiedlicher Reibung oder nur
R1 oder nur R2) schwankt dadurch auch und somit schwankt auch
das Drehmoment, was jedoch unerwünscht ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine
elektromagnetische Bremse der eingangs beschriebenen Art so
weiterzubilden, dass sich gegenüber der beschriebenen bekann
ten Funktionsweise ein konstanteres Drehmoment über die Le
bensdauer der elektromagnetischen Bremse ergibt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch
eine elektromagnetisch betätigbare Reibungsbremse für einen
elektrischen Antrieb mit einem Bremskörper, der einen Dauer
magneten, eine elektromagnetische Spule, einen Außenpol und
einen Innenpol umfasst, wobei der Bremskörper fest mit dem
Ständer des elektrischen Antriebs verbunden ist, sowie mit
einer Ankerscheibe, die mit der drehbaren Welle des elektri
schen Antriebs verdrehfest verbunden ist, wobei die Anker
scheibe über einen Luftspalt mit dem Außenpol, dem Innenpol
und dem Dauermagnet einen magnetischen Kreis bildet, wobei
der Luftspalt über einen in der elektrischen Spule fließenden
Strom so beeinflussbar ist, dass zwischen der Ankerscheibe
und einem Pol des Bremskörpers eine Reibkraft zur Bildung ei
nes Drehmomentes erzeugbar ist, so gelöst, dass ein erster
Luftspalt mit axialem Feldübergang im Bereich des Außenpols
angeordnet ist, während ein zweiter Luftspalt zwischen der
Ankerscheibe und dem Innenpol des Bremskörpers mit radialem
Feldübergang angeordnet ist, so dass im geschlossenen Zustand
der Bremse nur der erste Luftspalt verschwindet und die ein
zige Reib- oder Kontaktfläche im Bereich dieses ersten Luft
spalts angeordnet ist.
Der separate zweite Luftspalt mit radialem Feldübergang un
terscheidet sich vom ersten Luftspalt. Das neue Bremsenkon
zept hat nur eine Reibfläche im Bereich des Außenpols und nur
einen wirksamen Radius für die Drehmomentbildung. Diese neue
Anordnung ergibt ein konstanteres Drehmoment über die Lebens
dauer der Bremse. Selbstverständlich kann auch lediglich der
Innenpol die Reibfläche bilden, wenn dann der Außenpol einen
Luftspalt mit radialem Feldübergang zur Ankerscheibe besitzt.
Es hat sich dabei nämlich als vorteilhaft erwiesen, wenn im
geschlossenen Zustand der Bremse nur der erste Luftspalt ver
schwindet.
Um konstruktionsbedingte Sättigungsverluste im magnetischen
Kreis auszugleichen, empfiehlt es sich, für die Breite des
zweiten Luftspalts 0,2 mm oder weniger vorzusehen.
Da gegenüber konventionellen Bremsanordnungen nur eine Reib
fläche zur Verfügung steht, hat es sich als vorteilhaft er
wiesen, wenn der die Reibfläche darstellende Pol des Brems
körpers gegenüber bekannten elektromagnetischen Bremsen ver
größert ausgeführt ist.
Dadurch wird auch der Verschleiß bei der Reibarbeit verrin
gert sowie die erforderliche Wärmeabfuhr verbessert.
Eine Alternative, die jedoch auch in Verbindung mit der vor
anstehenden Maßnahme eingesetzt werden kann, besteht in einer
Verstärkung des Dauermagneten des Bremskörpers gegenüber be
kannten elektromagnetischen Bremsen im Hinblick auf eine ver
stärkte Magnetkraft. Dazu kann entweder der Magnet vergrößert
werden oder es wird ein besseres und damit stärkeres magneti
sches Material gewählt.
Wie bereits erwähnt wurde, ist es besonders effektiv, die
Reibfläche im Bereich des Außenpols anzuordnen, da dabei eine
bessere Hebelwirkung der Bremse gegenüber der Achse des An
triebs erzielt wird.
Zur Realisierung einer Haltebremse empfiehlt es sich analog
zu der eingangs geschilderten Anordnung, an die Ankerscheibe
eine Rückstellfeder anzubringen, die im geschlossenen Zustand
der Haltebremse gedehnt ist, d. h. entgegen der Richtung des
die Reibfläche darstellenden Pols eine Rückstellkraft ausübt.
Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung erge
ben sich anhand des folgenden Ausführungsbeispiels und in
Verbindung mit den Figuren. Dabei sind Elemente mit gleicher
Funktionalität mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer elektrischen Bremsanordnung
nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Prinzipsskizze einer bekannten elektrischen
Bremse,
Fig. 3 ein Feldlinienbild dieses bekannten Konzeptes und
Fig. 4 ein Feldlinienbild der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die in der Darstellung nach Fig. 1 gezeigte
elektrische Bremsanordnung besitzt im wesentlichen den glei
chen Aufbau wie die eingangs anhand Fig. 2 beschriebene be
kannte Anordnung. Deshalb sollen im folgenden nur die unter
schiedlichen Merkmale näher erläutert werden. Bezüglich der
übrigen Elemente gilt das eingangs Beschriebene entsprechend.
Der radiale Feldübergang zwischen dem Innen
pol 4 und der Ankerscheibe 6 wird nach Fig. 1 dadurch reali
siert, dass der der Ankerscheibe 6 zugekehrte Schenkel des
Innenpols 4 verlängert ist und die Ankerscheibe 6 entspre
chend verkürzt wird. Auf diese Weise kommt der Luftspalt 3B
zwischen dem Innenpol 4 und der Ankerscheibe 6 parallel zur
Achse des Antriebs zu liegen, woraus der bereits beschriebene
radiale Feldübergang resultiert.
Die unerwünschten Drehmomentschwankungen der bekannten elek
trischen Bremsanordnungen wie beispielsweise nach Fig. 2 auf
grund zweier wirksamer Radien können dadurch verhindert wer
den. Es entsteht der neue beschriebene Luftspalt 3b. Der an
dere Luftspalt 3a zwischen Außenpol 2 und der Ankerscheibe
besitzt nach wie vor einen axialen Feldübergang und die
Breite des Luftspalts 3a ist durch den Strom in der Spule 5
variierbar.
Im geschlossenen Zustand (Bremskraft tritt auf) verschwindet
nur der Luftspalt 3a. Eine Reibkraft entsteht nur an der Kon
taktstelle 10 zwischen der Ankerscheibe 6 und dem Außenpol 2.
Es ist immer nur ein Radius wirksam und somit wird das er
zeugte Drehmoment weniger schwanken.
In den Darstellungen nach Fig. 3 und Fig. 4 sind die den beiden
Ausführungsformen nach Fig. 1 und Fig. 2 zugehörigen Feldli
nienbilder gezeigt. Die Fig. 3 zeigt das Feldlinienbild zu ei
ner bekannten elektrischen Bremsanordnung nach dem Stand der
Technik. Die Fig. 4 zeigt den zur erfindungsgemäßen Anordnung
zugehörigen Feldlinienverlauf.
Dabei ist jeweils der magnetische Kreis bestehend aus dem
Magnet 1, dem Außenpol 2, dem Innenpol 4 sowie der Anker
scheibe 6 gezeigt, wobei in bekannter Weise die Feldlinien in
dem jeweiligen magnetischen Kreis eingetragen sind. Gezeigt
ist jeweils der geschlossene Zustand (Bremszustand).
Die Feldlinien verlaufen in beiden Fällen ähnlich. Die Eisen
sättigung ist beim bekannten Konzept nach Fig. 3 größer. Wegen
einer konstruktionsbedingt geringeren Sättigung beim erfin
dungsgemäßen Konzept ist trotz des konstanten Luftspalts 3b
die magnetische Induktion im geschlossenen Zustand der Bremse
im Bereich des Luftspaltes 3a nur geringfügig kleiner als
beim bekannten Konzept.
Der zweite Luftspalt 3b sollte deshalb sehr klein werden,
etwa eine Breite von 0,2 mm oder weniger.
Beim erfindungsgemäßen Konzept (Fig. 1, Fig. 4) fehlt konstruk
tionsbedingt die Reibkraft im Bereich des Innenpols 4, des
halb ist das erzielbare Drehmoment bzw. die erzielbare Brems
kraft kleiner. Dieses kann jedoch durch einen größeren Dauer
magneten 1 und einen breiteren Außenpol 2 kompensiert werden.
Ein breiterer Außenpol 2 ist darüber hinaus auch wegen des
Verschleißes bei der Reibarbeit und wegen einer besseren Wär
meabfuhr vorteilhaft.
Trotz dieses zusätzlichen Aufwandes (mehr Magnetmaterial und
breiterer Außenpol) und entsprechender höherer Kosten hat das
neue Konzept nach der vorliegenden Erfindung den großen Vor
teil, dass die Drehmomentschwankungen geringer sind, da nur
ein einziger definierter Radius wirksam ist.
Claims (5)
1. Elektromagnetisch betätigbare Reibungsbremse für einen
elektrischen Antrieb mit einem Bremskörper, der einen Dauer
magneten (1), eine elektromagnetische Spule (5), einen Außen
pol (2) und einen Innenpol (4) umfasst, wobei der Bremskörper
fest mit dem Ständer (9) des elektrischen Antriebs verbunden
ist, sowie mit einer Ankerscheibe (6), die mit der drehbaren
Welle (8) des elektrischen Antriebs verdrehfest verbunden
ist, wobei die Ankerscheibe (6) über einen Luftspalt (3) mit
dem Außenpol (2), dem Innenpol (4) und dem Dauermagnet (1)
einen magnetischen Kreis bildet, wobei der Luftspalt (3) über
einen in der elektrischen Spule (5) fließenden Strom so be
einflussbar ist, dass zwischen der Ankerscheibe (6) und einem
Pol (2) des Bremskörpers eine Reibkraft zur Bildung eines
Drehmomentes erzeugbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein ers
ter Luftspalt (3a) mit axialem Feldübergang (12) im Bereich
des Außenpols (2) angeordnet ist, während ein zweiter Luft
spalt (3b) zwischen der Ankerscheibe (6) und dem Innenpol (4)
des Bremskörpers mit radialem Feldübergang (13) angeordnet
ist, so dass im geschlossenen Zustand der Bremse nur der
erste Luftspalt (3a) verschwindet und die einzige Reib- oder
Kontaktfläche (10) im Bereich dieses ersten Luftspalts (3a)
angeordnet ist.
2. Elektromagnetisch betätigbare Reibungsbremse für einen
elektrischen Antrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der beim
ersten Luftspalt (3a) zugeordnete Pol (2) selbst die Reib
fläche (10) bildet.
3. Elektromagnetisch betätigbare Reibungsbremse für einen
elektrischen Antrieb nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Breite des zweiten Luftspalts (3b) 0,2 mm oder weniger be
trägt.
4. Elektromagnetisch betätigbare Reibungsbremse für einen
elektrischen Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der die
einzige Reibfläche (10) darstellende Pol (2) des Bremskörpers
so ausgeprägt ist, dass dessen Fläche zugleich im wesentli
chen der gesamten Reibfläche entspricht.
5. Elektromagnetisch betätigbare Reibungsbremse für einen
elektrischen Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Brems
körper einen Dauermagnet (1) aufweist, dessen Magnetkraft die
Reibungsbremse im Ruhezustand des Antriebs in einen reib
schlüssigen Zustand bringt.
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