DE10046903C2 - Elektromagnetische Bremse für einen elektrischen Antrieb - Google Patents

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.