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Elektromotor mit im Motorgehäuse eingebauter elektromagnetisch erregter
Reibungsvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf Elektromotoren mit im Motorgehäuse
eingebauter elektromagnetisch erregter Reibungsvorrichtung, deren Kraftfluß magnetisch
leitende inaktive Teile des Motors mitbenutzt. Die Reibungsvorrichtung kann beispielsweise
eine Kupplung sein, die auf die abgehende Welle ein treibendes Drehmoment überträgt,
oder eine Bremse, welche zur Verzögerung umlaufender Teile dient. Es sind Elektromotoren
bekannt, deren Gehäuse von einer elektromagnetischen Kupplung oder Bremse als Kraftflußweg
mitbenutzt wird. Ferner ist es bekannt, Elektromotoren zugleich mit einer Kupplung
und einer Bremse zu verbinden., die als Nachlaufbremse für die umlaufenden Teile
wirkt.
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Die Erfindung ergibt eine wesentliche Verringerung des Raumbedarfs
bei Elektromotoren mit Kupplung und Bremse sowie eine verbesserte Ausnutzung der
Motorwerkstoffe. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß in das Motorgehäuse auf derselben
Motorseite sowohl eine elektromagnetische Reibungskupplung ah, auch eine elektromagnetische
Reibungsbremse eingebaut sind, deren Magnetkraftflüsse durch zur Motorachse konzentrische
Ringwicklungen erzeugt werden und in zwei toroidförmigen Magnetpfaden. verlaufen,
die in einem von ihnen gemeinsam benutzten ringförmigen magnetischen Leitkörper
zusammentreffen. Wie die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen,
lassen sich hierbei in dem Motorgehäuse beide Reibungsvorrichtungen ohne Vergrößerung
der üblichen Motorlänge in der Achsenrichtung unterbringen. Die Erfindung ermöglicht,
den. Magnetpfaden große Querschnitte zu geben und vorhandene magnetisch leitende
Teile des Motorständers und -läufers für beide zwischen dem Läufer und einem Gehäuseschild
eingebaute Reibungsvorrichtungen auszunutzen und dadurch an Gewicht zu sparen.
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Bei gleichzeitiger Anordnung der Kupplung und der Bremse auf derselben
Gehäuseseite können die beweglichen Magnetanker der Kupplung und der Bremse durch:
zwei axial nebeneinanderliegende, die Welle umgebende Ringe gebildet werden, die
der ringförmige magnetische Leitkörper konzentrisch mit geringem Luftspalt umschließt,
wobei der eine toroidförmige Kraftflußpfad sich durch den zugehörigen Ankerring,
durch den. Leitkörper, den äußeren Teil des Gehäuseschildes, den Motorständer und,
den Motorläufer schließt, während der andere toroidförmige Kraftflußpfad durch den
zugehörigen Ankerring, den Leitkörper und den inneren Teil des Gehäuseschildes verläuft.
Die Kraftflüsse werden also durch einen. gemeinsamen magnetisch leitenden Teil geführt;
durchfließen sie diesen in entgegengesetzter Richtung, so klingt beim Aberregen
der einen oder anderen Reibungsvorrichtung der magnetische Restfluß schnell ab,
wodurch der Steuervorgang wesentlich beschleunigt werden kann.
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Das eine Kupplungselement kann starr mit dem Läufer und der Motorwelle
verbunden sein, wodurch die Kupplung frei von axialen Pendelbewegungen ist.
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Weitere Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
sind außer dem knappen Zusammenbau in der Achsenrichtung die selbsttätige Anpassung
an die Abnutzung der Reibflächen, die Vermeidung von Streuflüssen und die Einfachheit
der Konstruktion im ganzen. Inder Zeichnung ist Fig, 1 ein Aufriß eines Elektromotors
in üblicher oder genormter Art, jedoch mit eingebauter Kupplung und Bremse in der
Erfindung entsprechender Anordnung, wobei ein Endteil des Motorgehäuses ausgebrochen
und im Schnitt dargestellt ist, Fig. 2 ein Schnitt nach der Linie 2-2 von Fig. 1,
Fig.3 ein im Durchmesser geführter Teilschnitt durch einen Endteil des Motors in
größerem Maßstab, Fig.4 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 5 ein Schema der elektrischen und magnetischen Kreise.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem elektrischen Induktionsmotor
üblicher Bauart und Abmessungen veranschaulicht, der einen Käfigläu.fer 5 und einen
lamellierten Ständerkern 6 enthält. Dieser trägt aine W'icklun ig 7 und wird von
einem Gehäuse 8 gehalten, das ein Ende oder Motorwelle 9 einschließt,
die
aus dem gegenüberliegenden Gehäuseende herausragt, um dort mit dem anzutreibenden
Teil verbunden zu werden. Der Läufer ist ebenfalls lamelliert und trägt Kurzschlußstäbe
10 und Stirnringe 11, die zusammen eine Käfigwicklung bilden.
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Gewöhnlich werden die Lamellen des Ständerkerns zwischen Flanschen
eines in den zylindrischen Mittelteil 13 des Gehäuses 8 eingepreßten Ringes 12 gehalten.
Die Wicklung 7, welche die Polbereiche des Ständerfeldes umschlingt, ragt in der
Achsenrichtung aus dem Ständer hervor und bedingt daher, daß die Gehäuseschilder
14 und 15 in einem wesentlichen Abstand von den Läuferenden gehalten werden. An
einem Ende des Läufers vorragende Lüfterflügel 20 a treiben einen Strom von Kühlluft
in der Achsen- ; richtung durch die Ständerteile.
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Die offenen Innenränder der Schilde 14 und 15 und das Ende des Gehäusezylinders
13 sind bei 16 ineinandergesteckt, und diese drei Teile sind durch: die üblichen
Spannbolzen 17 zusammengespannt. Der Schild 14 umschließt einen verjüngten Tei1
18 der Motorwelle, der in einem Lager 19 gelagert ist;dessen äußerer Laufring ist
in eine Buchse 20 aus unmagnetisierbarem Stoff eingepreßt, die in dem zylindrisch
vertieften Ende des Schildes angeordnet ist und die äußere Flanke des Laufringes
umgibt. Der andere Endteil der Welle ist in einem ähnlichen Lager im anderen Stirnschild
gelagert und ragt aus diesem zur Verbindung mit dem zu treibenden Teil nach außen.
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In einer Hinsicht sieht die Erfindung vor, in ein normales Motorgehäuse
der obigen Art eine elektromagnetische Reibungskupplung 21, die den Läufer lösbar
mit der Welle 9 kuppeln soll, sowie eine magnetische Reibungsbremse 22 zum Bremsen
der Welle einzubauen, wobei alle Teile der Kupplung und der Bremse in dem begrenzten
Raum zwischen dem Läufer und einem Stirnschild und innerhalb der vorragenden Köpfe
der Motorwicklung 7 angeordnet werden. Im allgemeinen wird die notwendige Gedrungenheit
in der Achsenrichtung dadurch erreicht, 4 daß das Motorgehäuse 8 und die magnetischen
Teile des Ständers und Läufers als Teile des magnetischen Kreises von einer oder
beiden der elektromagnetischen Reihungsvorrichtungen benutzt und die Wicklungen
beider an einem Stirnschild, in diesem Falle am Schild 14, angebracht werden. Im
besonderen sind. der treibende Teil 23 der Kupplung und der nicht rotierende Teil
24 der Bremse in axialem Abstand an einem Läuferende bzw. dem gegenüberstehenden
Stirnschild 14 befestigt, während der getriebene Teil 25 ,der Kupplung und der rotierende
Teil 26 der Bremse aneinander anschließend angeordnet sind und vom zwischenliegenden
Teil der Welle 9 getragen werden. Diese Anordnung der Kupplungs- und Bremsenteile
innerhalb der geschlossenen Stirnseite des Motorgehäuses wird durch lose Lagerung
des Läufers 5 auf dem Mittelteil der Welle 9 ermöglicht. Zu diesem Zweck sind die
in der Mitte durchlochten Läuferlamellen bei der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform
auf eine Hülse 27 aufgepreßt, die auf dem Mittelteil der Welle 9 zwischen Schultern
drehbar ist, durch welche der Läufer gegen axiale Bewegung gesichert wird. Die Hülse
besteht aus geeignetem unmagnetisierbarem Lagerwerkstoff, wie z. B. Bronze.
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Der treibende Kupplungsteil 23 ist eine im allgemeinen ebene, in der
Mitte durchlochte Eisenscheibe mit einer nach innen gekehrten Nabe 29, die durch
versenkte Kopfschrauben 30 am Ende des Läuferblechpaketes befestigt ist. Die Scheibe
wendet 70 eine ebene Oberfläche nach außen, die im axialen Eingriff mit der gegenüberstehenden
Fläche des getriebenen Kupplungsteiles 25 tritt. Dessen Nabe 31 ist bei der in Fig.
3 gezeigten Ausführungsform lose ver-5 schiebbar, aber verdrehungssicher auf einem
geriffelten Teil 32 der Motorwelle gelagert. Segmente 33 aus verschleißfestem Reibungsbelag
sind in die Scheibe 25 bündig zur Magnetfläche der Scherbe eingesetzt.
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Die Reibungsflächen der Kupplungsscheiben werden durch Erregung einer
aus zahlreichen Windungen gebildeten Ringwicklung 34 zum Eingriff gegeneinandergezogen,
wobei die Erregung einen magnetischen Kraftfluß durch die äußeren Umfangsteile der
bei Scheiben hindurchschickt. Um Schleifringe entbehrlich zu machen, ist die Wicklung
34 feststehend in einer zylindrischen Vertiefung 35 gelagert; die im Guß des flachen
Endes des Stirnschildes 14 im äußeren Teil vorgesehen ist; die Wicklung 34 ist von
den Köpfen der Motorwicklung 7 abgerückt und in der Ebene des Wellenlagers 19 angeordnet.
Die Wicklung wird an Ort und Stelle durch einen sie übergreifenden Flansch 36 gehalten,
der mittels Kopf schrauben 37 an einem Teil 38 des Stirnschildes angeklemmt ist
und am äußeren Ende mit einem rohrförmigen Ansatz 39
ausgebildet ist; dessen
innere zylindrische Oberfläche 40 ist konzentrisch zur Motorwelle und umgibt eng
die getriebene Kupplungsscheibe 25, die an ihrem Umfang verbreitert ist, um eine
große Fläche für den engen radialen Luftspalt 46 zu schaffen, durch den der Kraftfluß
radial zwischen der Scheibe 25 und dem Ansatz 39 übertreten kann.
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Der vollständige Kreis für den durch Erregung der Wicklung 34 geschaffenen
magnetischen Kraftfluß hat Toroidgestalt und jeder Durchmesserschnitt davon, wie
er schematisch im unteren Teil der Fig. 3 und bei 60 in den Fig. 4 und 5 angedeutet
ist, verläuft axial durch den in Achsenrichtung übergreifenden Ansatz 39, radial
durch den engen Luftspalt 46 zwischen dem Ansatz und der treibenden Kupplungsscheibe
25, axial durch die äußeren Teile der Kupplungsflächen, radial nach innen durch
die treibende Scherbe, axial durch den Flansch 29 und die Läuferlamellen, nach außen
durch den Läufer 5, den Luftspalt 41, den Standerkern 6 und in das Gehäuse 13 axial
entlang dieses Gehäuses und durch die Verbindung 16 und endlich nach innen um die
Wicklung 34 herum durch den äußeren Umfang des Stirnschildes nach dem Ende des axialen
Ansatzes 39. Der die axial gegenüberstehenden Flächen der Kupplungsteile 23 und
25 ringsum an allen Stellen durchsetzende Kraftfluß zieht die Flächen zum Eingriff
gegeneinander und veranlaßt die Übertragung eines treibenden Drehmoments vom Läufer
5 zur Welle 9.
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Die Bremse 22 hat denselben allgemeinen Aufbau wie die Kupplung; der
rotierende Teil 26 ist ein Gegenstück der Kupplungsscheibe 25 und lose auf dem geriffelten
Teil 32 der Welle zwischen der Scheibe 25 und dem Lager 19 geführt, wobei ihr zylindrischer
Umfang in ähnlicher Weise nahe an der Innenfläche des Ansatzes 39 angeordnet ist.
Reibungssegmente 42 sind in den inneren Teil der Bremsscheibe bündig zur Magnetfläche
eingesetzt, die einer ebenen Fläche am feststehenden Bremsenteil 24 gegenüberliegt.
Der letztere ist eine mittels Schraube 43 gegen das Ende einer Nabe 44 an dem die
Buchse 20 tragenden Stirnschild 14 geklemmte Eisenscheibe. Eine Ringwicklung 45,
die im Durchmesser kleiner ist als die Kupplungswicklung, liegt zwischen der Nabe
44 und der Rippe 38 und wird durch die Bremsscheibe 24 gegen die Stirnwand des Schildes
14 geklemmt.
Ein magnetischer Kreis von Toroidform, wie er durch
die strichpunktierte Linie im oberen Teil der Fig. 3 und bei 61 in Fig. 4 und 5
angedeutet ist, umschlingt so alle Teile der Wicklung 45. Der Kreis verläuft von
dem rohrförmigen Ansatz 39 nach. innen quer durch den radialen Luftspalt 46 in den
Umfang der Bremsscheibe 26, axial in .die Scheibe 24 und endlich nach außen durch
das Eisendes Stirnschildes und um die Wicklung 45 herum. Wird die letztere erregt,
so werden die Scheiben 24 und 26 axial gegeneinandergezogen, bis sie in Eingriffsberührung
kommen; dadurch wird ein auf die Motorwelle wirkendes Verzögerungsmoment hervorgebracht,
dessen Größe dem Ausmaß der Erregung der Wicklung entspricht.
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Da der Luftspalt 46 konzentrisch zu den Kupplungs- und Bremsenelementen
25 und 26 angeordnet ist, wird seine Weite durch die axiale Abnutzung der Reibungsflächen
im Betrieb nicht beeinflußt. Jede solche Abnutzung an den achsensenkrechten Flächen
wird selbsttätig durch den losen Schiebesitz der Scheiben 25 und 26 und durch die
vorgesehenen Mittel ausgeglichen, welche diese Scheiben in ständiger, aber leichter
mechanischer Berührung mit den damit zusammenarbeitenden axial unverschiebbaren.
Elementen 23 und 24 halten. Im vorliegenden Fall besteht dieses Mittel aus einer
um die Naben der Scheiben 25 und 26 gewundenen Druckfeder 47, die sich an. den beiden
Enden gegen die einander zugekehrten Seiten der Scheiben stützt.
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In Anlagen, in denen der Motor häufig dem Anlassen und Anhalten oder
plötzlichen Laständerungen unterworfen ist, ist es erwünscht, die getriebene Kupplungsscheibe
25 starr an der Welle 9 zu befestigen, wie in Fig. 4 gezeigt, und das treibende
Kupplungselement so zu lagern, daß es sich axial frei einstellen kann. Zu diesem
Zweck kann die Scheibe 25 an, einen radialen Flansch einer Buchse 48 angeschraubt
sein, die an einer Schulter der Welle 9 anliegt und auf der letzteren durch einen
Keil 49 befestigt ist. In dieser Ausführungsform ruht der Läufer auf der Welle durch
Endbuchsen 50, in die Walzläger 51 eingepreßt sind, deren innere Laufringe 52 entlang
dem mittleren Teil der Welle axial verschiebbar sind. So wie die Arbeitsflächen
der Kupplung sich im Betrieb abnutzen, verschiebt sich der Läufer längs der Welle
9 und ermöglicht so den Kupplungsringen, auf die Erregung der Wicklung 34 anzusprechen
und richtig in Eingriff zu treten.
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Für gewisse Anwendungen ist es erwünscht, die Kupplungsteile wenigstens
dann., wenn die Kupplung erregt ist, nachgiebig in leichter mechanischer Berührung
zu halten.. Mit dem oben beschriebenen frei einstellbaren Anker läßt sich dies durchführen,
indem die Kupplungsteile so konstruiert werden und die Welle 9 eine solche Ausgangslage
erhält, daß der Läufer 5 des Motors gegenüber dem Ständer leicht nach einer Seite,
in Fig.4 nach links, verlagert ist. Der Läufer 5 sucht sich im Ständer, wenn dieser
erregt wird, zu zentrieren und bringt so eine geringe Kraft hervor, welche die treibende
Kupplungsscheibe 23 in leichter mechanischer Berührung mit der Kupplungsscheibe
25 hält; der Motorständer ist immer erregt, wenn die Kupplung eingerückt werden
soll.
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Freie axiale Einstellung der rotierenden Bremsscheibe 26 wird erreicht,
indem die letztere von im Winkel versetzten Zapfen 53 getragen wird, die in den
Flansch der Buchsen 48 eingesetzt sind und von ihm wegragen. Wie zuvor beschrieben,
hält die Feder 47 die rotierende Bremsscheibe gegen die feststehende Scheibe 24
und gleicht so die Abnutzung der Bremsfläche aus.
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Die Erregung der Kupplung- und Bremsenwicklungen 34 und 35 erfolgt
aus einer Gleichstromquelle, wie z. B. einer Batterie 53, und kann in jeder geeigneten
Weise, z. B. durch einen Umschalter 54, gesteuert und nach Wunsch selbsttätig zugleich
mit dem Beginn und dem Unterbrechen der Stromzufuhr zur Motorwicklung 7 bewirkt
werden. Läuft der Motor mit unerregten Wicklungen 34 und 45, so dreht sich der Läufer
5 und die ihn tragende Hülse 27 auf der Welle 9, welche feststeht, bis die Kupplung
erregt wird. Die treibende Kupplungsscheibe 23 dreht sich mit dem Läufer, so daß
der Welle ein Drehmoment erteilt wird, wenn die Wicklung 34 erregt ist, und dadurch
die beiden Scheiben 23 und 25 miteinander in Eingriff gebracht werden. Die Bremsscheibe
26 dreht sich mit der Welle; auf die letztere wird ein verzögerndes Drehmoment ausgeübt,
wenn die Wicklung 45 erregt wird, was gewöhnlich nach. dem Lösen der Kupplung stattfindet.
Die Bewegung der Welle und der von ihr :getriebenen Teile kann auf diese Weise schnell
aufgehalten werden, ohne daß es notwendig ist, die Energie des rotierenden Läufers
zu überwinden.
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Die Erfindung zieht auch eine solche Anordnung der Kupplungs- und
Bremsenwicklungen 34 und 45 und solchen Anschluß derselben an die Stromquelle 53
in Betracht, daß der durch Erregen einer der Wicklungen hervorgebrachte magnetische
Kraftfloß den gemeinsamen Teil 39 der beiden Kraftflußkreise 60 und 61 in einer
Richtung durchsetzt, die der Kraftflußrichtung im anderen Kreis, wenn der anderen
Wicklung Strom zugeführt wird, entgegengesetzt ist. Diese Beziehung wird dadurch
erreicht, daß die Spulen 34 und 45 in der gleichen Richtung gewickelt und mit benachbarten
Enden an einen Pol der Stromquelle 53 angeschlossen sind, während die anderen Wicklungsenden
an. die andere Speiseleitung durch wahlweises Schließen des Schalters 54 nach der
einen oder anderen Stellung anschließbar sind. In dieser Schaltung kann der Kupplungskraftfluß,
wie in Fig. 4 angedeutet, den Magnetkreis 60 in der Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn
durchsetzen, während der Bremsenkraftfluß den Weg 61 im Uhrzeigersinn durchsetzt,
wenn die Wicklung 45 erregt isst. Man wird bemerken, daß die Richtungen der Kraftflüsse
in dem gemeinsamen Teil 39 der beiden Kreise einander entgegengesetzt sind.
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Der Restkraftfluß, der in jedem Magnetkreis nach Unterbrechung des
Stromes in der entsprechenden Wicklung zu verbleiben sucht, folgt dem gleichen Weg
und liegt in der gleichen Richtung wie der Hauptfluß. Infolge der Tatsache aber,
daß die Richturig des Hauptflusses in jedem Kreis dem nach Aberregen der anderen
Wicklung verbleibenden Restfloß entgegengesetzt gerichtet ist, wird so der Restfloß
rasch neutralisiert und nicht vergrößert. Daher besteht keine Neigung der Bremse,
unter dem Einfloß eines Restkraftflusses nachzuschleppen, wenn die Kupplungswicklung
34 erregt wird. In ähnlicher Weise wird die Kupplung durch die Neutraliserung ihres
Restkraftflusses vollständig gelöst, wenn die Bremsenwicklung nach Aberregung der
Kupp.lungswicklung erregt wird.
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Sowohl die Kupplung 21 als auch die Bremse 22 sind, wie zu bemerken,
in das Motorgehäuse eingebaut, ohne dessen axiale Abmessungen zu vergrößern und
ohne irgendwie den Wirkungsgrad des Motors zu schmälern. All dies ist durch Einbeziehung
der
Eisenteile des Motors in die magnetischen Kreise der Kupplung und der Bremse, durch
Verwendung feststehender Wicklungen (um die Notwendigkeit von Schleifringen zu vermeiden)
und durch die dargestellte Anordnung der Kupplungs- und Bremsenteile in bezug auf
Läufer, Ständerwicklung und Stirnschild 14 erreicht worden. Zugleich ist eine Mindestzahl
von Abänderungen an der Bauart der gebräuchlichen oder genormten Motorteile erforderlich;
diese Abänderungen beschränken sich auf die Welle 9 und das Stirnschild 14.
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Jene Teile 23 und 24 der Kupplung und Bremse, die der Abnutzung unterworfen
sind und nach längerem Betrieb Erneuerung erfordern können, sind bei der beschriebenen
Bauart leicht entfernbar. Um den Bremsentei1 24 auszutauschen, ist es nur notwendig,
nach .dem Abnehmen des Motorstirnschildes 14 die Schrauben 43 zu entfernen und den
gelösten Teil in der Achsenrichtung durch den rohrartigen Ansatz 39 herauszuziehen.
Die Magnetankerteile 25 und 26 können nach dem Abnehmen des Stirnschildes von den
Wellenkeilen in der Richtung auf das Wellenende abgezogen werden. Die Schrauben
30 sind dann für das Abnehmen und Austauschen des Kupplungsteiles 23 zugänglich.