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Die
Erfindung betrifft einen Belagträger, eine Bremse, eine
Kupplung oder einen Elektromotor.
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Aus
der
EP 0 112 439 B1 sind
spezielle Anodisierverfahren, wie Eloxieren, bekannt, die sich auf Aluminium-Werkstücke
zur Erzeugung abriebfester Beläge anwenden lassen. Allerdings
betragen die Schichtdicken nur einige Hundertstel Millimeter.
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Bei
industriell einsetzbaren Elektromotoren, welche eine Leistung von
beispielhaft 1 kW und mehr aufweisen, sind zugehörige elektromagnetisch
betätigbare Bremsen bekannt, die einen Belagträger
umfassen. Dabei ist der am Belagträger vorgesehene Belag
aus organischen Stoffen, beispielsweise auf Grundlage von Phenolharzen,
gefertigt und weist eine Schichtdicke im Bereich von mehr als beispielhaft
3 mm auf. Beim Einfallen der Bremse wird der mit der Rotorwelle
des Elektromotors oder der Welle der Bremse formschlüssig
verbundene Belag in Reibkontakt mit einem nichtdrehenden metallischen Teil
gebracht und somit die Bremskraft erzeugt. Die entstehende Reibungswärme
wird großenteils an das nichtdrehende Teil abgeführt,
da der organische Belag ein schlechter Wärmeleiter ist
im Gegensatz zu dem metallischen nichtdrehenden Teil.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Antriebskomponenten, wie Bremsen
für Elektromotoren oder Kupplungen für Antriebe,
kompakt weiterzubilden, wobei die Standzeit erhöht sein
soll.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe bei dem Elektromotor nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei dem Elektromotor mit Bremse oder Kupplung
sind, dass eine Bremsscheibe mit der Rotorwelle des Elektromotors
formschlüssig und/oder drehfest verbunden ist,
wobei
die Bremsscheibe beim Einfallen der Bremse oder Kupplung in Wirkverbindung
mit einer Bremsfläche eines Motorgehäuseteils
tritt,
wobei die Bremsscheibe aus keramisiertem Aluminium besteht,
insbesondere aus an der Oberfläche plasmaelektrolytisch
oxidiertem Aluminium,
wobei das Motorgehäuseteil mit
den Statorwicklungen des Motors wärmeleitend verbunden
ist und ein Lager der Rotorwelle aufnimmt.
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Von
Vorteil ist dabei, dass die Bremsscheibe in einem Teilbereich gehärtet
wird und somit sehr kompakt aufbaubar ist. Außerdem ist
die Standzeit hoch, weil die Verbindung der Härteschicht
und des Grundmaterials ohne Klebeflächen oder andere Zwischenbereiche
auskommt, die als Sollbruchstelle fungieren können. Das
Material ist als nur in einem Teilbereich mittels des Härteverfahrens
geändert und somit ist der Belagträger aus einem
einzigen Stück fertigbar.
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Wenn
als Belagträger Aluminium als Grundmaterial gewählt
ist, ist die Reibkontaktwärme in die Bremsscheibe hinein
besser abführbar als bei Verwendung einer Scheibe aus Stahl,
auf der ein organischer Bremsbelag aufgebracht ist, insbesondere
mit einer Schichtdicke von etwa 1 bis 3 mm.
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Das
Gehäuseteil nimmt also nicht nur die Wärme des
Stators sondern auch beim Bremsen entstehende Reibungswärme
und die vom Lager erzeugte Reibungswärme auf zur Abfuhr
an die Umgebung.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Bremsbelag zum Reibkontakt
mit einem Stahlteil oder einem Keramikteil vorgesehen. Von Vorteil
ist dabei, dass die Härteschicht in Reibkontakt mit einem
Stahlteil, Aluminiumteil oder sonstigen metallischen Teil, das die
Wärme besonders gut abführen kann, tritt oder
alternativ in Reibkontakt mit einem Keramikteil tritt, das sehr
geringen Verschleiß aufweist und eine hohe Temperaturbeständigkeit
aufweist. Somit sind hohe Standzeiten erreichbar. Ein weiterer Vorteil
der Erfindung liegt auch darin, dass die Geräuschbildung
beim Bremsen verminderbar ist. Denn der die Härteschicht
ist direkt aus dem Grundmaterial herausgewachsen und somit werden
die hohen Frequenzen direkt von der Härteschicht ins Grundmaterial übertragen.
Dieses ist vorzugsweise ein Metall wie Aluminium oder Stahl und
dämpft somit die hohen Frequenzen besser ab als es ein
entsprechendes Keramikteil ausführen würde. Insgesamt
ist also die Geräuschbildung verminderbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die gehärtete Schicht
eine Schichtdicke zwischen 10 und 500 μm, insbesondere
zwischen 100 und 500 μm auf. Überraschenderweise
reicht diese dünne Schicht für eine etwa gleichlange
Standzeit. Von Vorteil ist dabei, dass die Schicht sehr dünn
ist und damit keine wesentliche Erhöhung des Massenträgheitsmoments
bewirkt. Außerdem ist die Wärme direkt und schnell
ins Grundmaterial abführbar. Ebenso sind akustische Wellen
direkt ins an die Härteschicht angrenzende Grundmaterial
abführbar und dort bedämpfbar. Durch die plasmaelektrolytisch
hergestellte Schicht ist das Material der Härteschicht
weniger spröde wie beispielsweise Keramik und somit ist
die Standzeit erhöht, da die Anbindung der Härteschicht ans
Grundmaterial ideal ausgeführt ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bremsscheibe einstückig
aus einem Grundmaterial gefertigt und die gehärtete Schicht
ist durch Oxidation des Grundmaterials erzeugt, insbesondere plasmaelektrolytische
oder anodische Oxidation, insbesondere in einem gekühlten
Säureelektrolyten. Von Vorteil ist dabei, dass die Herstellung
der Härteschicht einfach und kostengünstig ist.
Die Scheibe muss nur diesem Verfahren unterzogen werden. Ein weiterer
Vorteil ist, dass ohne großen Zusatzaufwand die gesamte
Scheibe härtbar ist und somit seine gesamte Oberfläche
oder zumindest alle gehärteten Oberflächenbereiche
korrosionsgeschützt beschichtet sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Scheibe eine Innenverzahnung
zur formschlüssigen und/oder drehfesten Verbindung mit
einer Welle auf. Von Vorteil ist dabei, dass die Scheibe verschleißarm
verbunden ist und schnell und einfach austauschbar ist bei Wartung
sowie eine sichere formschlüssige und damit drehfeste Verbindung
zur drehenden Welle erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die gehärtete Schicht
eine keramisierte oder eine Keramikschicht. Von Vorteil ist dabei,
dass wegen des geringen Verschleißes und der Reibfestigkeit
die Standzeit sehr hoch ist und die Temperaturen beim Bremsen ebenfalls
sehr hoch vorgesehen werden dürfen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Grundmaterial ein Metall,
insbesondere Aluminium, Stahl oder eine Stahllegierung. Von Vorteil
ist dabei, dass Wärme gut ableitbar und/oder aufspreizbar
ist und das Grundmaterial eine hohe Elastizität aufweist, wodurch
Kräfte auffangbar und akustische Wellen bedämpfbar
sind.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung sind auch, dass die gehärtete Schicht
an der Bremsscheibe vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass
die Bremse sehr kompakt aufbaubar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei stromloser Bremsspule
die Bremsscheibe von einer von Federn beaufschlagten Ankerscheibe
gegen ein eine Bremsfläche aufweisendes Gehäuseteil,
insbesondere Bremslagerschild, gedrückt. Von Vorteil ist
dabei, dass die Erfindung bei Bremsen anwendbar ist, bei denen die
Ankerscheibe bei Bestromung von einer Bremsspule angezogen wird
und erst bei Nichtbestromung der Bremsspule von Federn auf die Bremsscheibe
gedrückt wird und dieser wiederum auf eine Gegenbremsfläche
eines weiteren Teils, wie beispielsweise Bremslagerschild.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest die Ankerscheibe
und das weitere Teil, insbesondere Bremslagerschild, zur Abfuhr
der Bremswärme und entsprechend wärmeleitend mit
der Umgebung oder zumindest einem Gehäuseteil vorgesehen.
Von Vorteil ist dabei, dass die Reibwärme einerseits über
die Reibpartner abführbar ist, andererseits aber auch ein
Teil des Wärmestroms über den Belagträger
zumindest aufspreizbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bremsscheibe mit einer
Welle des Motors, der Bremse oder der Kupplung drehfest und/oder
formschlüssig verbunden. Vorteiligerweise ist somit Schlupf
verhindert.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bremsscheibe, insbesondere
mitsamt ihrer Innenverzahnung für die Welle-Nabe-Verbindung
mit der Rotorwelle, einstückig gefertigt, wobei die gehärtete Schicht
mittel eines Härteverfahrens hergestellt ist. Von Vorteil
ist dabei, dass kein weiteres Teil und auch kein weiteres Material
einzubringen ist sondern nur die vorhandene Bremsscheibe einer Behandlung
unterzogen werden muss.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bremsfläche auf
dem Gehäuseteil aufgeraut, insbesondere sandgestrahlt ist,
insbesondere vor der plasmaelektrolytischen Oxidation der Oberfläche.
Vorn Vorteil ist dabei, dass die Reibungskraft und die Standzeit
erhöht ist.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei dem Elektromotor mit Bremse oder Kupplung
sind, dass die Bremsscheibe mit der Rotorwelle des Elektromotors
drehfest verbunden ist, wobei die Bremsscheibe beim Einfallen der
Bremse oder Kupplung in Wirkverbindung mit dem Bremslagerschild
tritt.
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Von
Vorteil ist dabei, dass der Motor kompakt ausführbar ist
mit einem oben beschriebenen Belagträger in der vom Motor
umfassten Bremse oder Kupplung.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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die
Bremsscheibe mit der Rotorwelle formschlüssig, insbesondere über
eine verzahnte Welle-Nabe-Verbindung, verbunden ist, insbesondere wobei
die Rotorwelle aus Stahl gefertigt ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Motorgehäuseteil
aus keramisiertem Aluminium besteht, insbesondere aus an der Oberfläche
plasmaelektrolytisch oxidiertem Aluminium. Somit weist es vorteiligerweise
eine hohe Festigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit
auf und ist sogar als verschleißarme Bremsfläche
für die Bremsschreibe geeignet.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind auf der Bremsfläche
des Motorgehäuseteils Bremsbeläge aus organischem
Material angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass bei Abnutzung der
Bremsbeläge diese einfach und schnell austauschbar sind. Insbesondere
ist das Austauschen unabhängig von der Bremsscheibe.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bremsfläche als
gehärtete Schicht des Motorgehäuseteils vorgesehen.
Somit ist kein zusätzliches Teil notwendig für
die Schaffung einer Bremsfläche und die Reibungswärme
strömt direkt ins Motorgehäuseteil, das auch die
Wärme des von ihm aufgenommenen Lagers an die Umgebung
ableitet. Insbesondere ist dieses Gehäuseteil nicht nur
als Lagerschild sondern auch als für den Stator gehäusebildendes
Teil ausführbar, wodurch Wärme des Stators über
das Gehäuseteil abführbar ist and die Umgebung.
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- 1
- Bremsspule
- 2
- Spulenkern
- 3
- Druckfeder
- 4
- Rotationsachse
- 5
- Belagträger
- 6
- Bremsbelag
- 7
- Ankerscheibe
- 8
- Dämpfungselement
- 9
- Stahlblech
- 10
- Bremse
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Die
Erfindungen ist auf Bremsen, bei denen ein Belagträger
mit Bremsbelag in Reibkontakt bringbar ist, und ebenso auf Reibkupplungen,
bei denen ebenfalls ein Belag in Reibkontakt bring bar ist, anwendbar.
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In
der 1 ist eine Bremse schematisch in Schnittansicht
gezeichnet.
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Die
Bremse ist entsprechend der
1 der
EP 0 957 281 A2 aufgebaut,
wobei für die hier vorliegende Erfindung das Dämpfungselement
nicht notwendig ist.
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Zum
Lüften der Bremse wird die Bremsspule 1 bestromt
und somit die Ankerscheibe axial in Richtung des Spulenkerns 2 bewegt
entgegen der Federkraft der Druckfedern 3. Zum Einfallen
der Bremse wird der Spulenstrom ausgeschaltet und die Druckfedern 3 drücken
demzufolge die Ankerscheibe in Richtung auf den Bremsbelag 6 des
mit der Rotorwelle drehfest verbundenen, insbesondere formschlüssig verbundenen
Belagträgers 5. Auf der der Ankerscheibe abgewandten
Seite des Belagträgers 5b ist ein in der 1 nicht
gezeigtes Bremslagerschild vorsehbar, so dass der drehende Belagträger 5 von der
Ankerscheibe 7 gegen dieses Lagerschild gedrückt
wird. Die Rotationsachse ist mit Bezugszeichen 4 gekennzeichnet.
Das auf dem Stahlblech 9 angeordnete Dämpfungselement 8 dient
im Wesentlichen der Geräuschdämpfung.
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Der
Bremsbelag ist dabei durch anodische Oxidation des Belagträgers 5 erzeugt.
Vorzugsweise ist der Belagträger 5 aus Aluminium
ausgeführt und wird mittels der anodischen Oxidation mit
einer Hartschicht aus einer Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid
und/oder Aluminiumhydroxid enthaltend, überzogen. Die Schichtdicke
ist äußerst dünn gewählt und
beträgt weniger als ein Zehntel. Vorteilhaft sind Werte
zwischen 10 und 60 μm. Insbesondere bei 30 μm
ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform.
Da die Hartschicht während der Oxidation nicht nur nach
außen sondern auch ins Innere des Materials hinein wächst,
ist eine unterbrechungsfreie Anbindung der Hartschicht mit dem Grundmaterial erreicht.
Daher ist eine hohe Stabilität gegen auftretende mechanische
Belastungen erreicht.
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Zwar
ist die keramisierte Hartschicht im Gegensatz zu den organischen
Belägen des Standes der Technik spröde, aber wegen
der geringen Schichtdicke wirkt sich dies nicht negativ auf die Standzeit
aus. Auch bei hohen auftretenden Bremskräften und Axial-
und Querkräften hat sie sich als standfest erwiesen. Bei
großen Schichtdicken über 100 μm hinaus
wirkt die Sprödigkeit negativ auf die Standzeit.
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Die
dünne Hartschicht hat als weiteren Vorteil, dass die Wärme überraschend
gut aufspreizbar und abführbar ist. Denn das Grundmaterial
des Belagträgers, beispielsweise ein guter Wärmeleiter
wie Aluminium, ist nahtlos an seiner Oberfläche mit der Hartschicht
versehen und somit ist die Wärme aus dieser Schicht auch
in den Belagträger hinein und nicht nur an den Reibpartner,
also die Ankerscheibe oder das Bremslagerschild abführbar.
Ein Teil der Wärme wird also ins innere des bremsbelagträger abgeführt,
aufgespreizt und dann abgeführt. Ein anderer Teil der Wärme
wird direkt beim Bremsen an den Reibpartner abgeführt.
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Außerdem
ist die Schicht reibfest und verschleißarm und führt
somit zu einer überraschend hohen Standzeit der Bremse.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird der Belagträger durch Ausstanzen aus einem gewalzten
Blech erzeugt und danach der anodischen Oxidation unterzogen. Dabei wird
die anodische Oxidation in einem gekühlten Säureelektrolyten
spezieller Zusammensetzung ausgeführt. Die Zusammensetzung
ist derart gewählt und die Bestromung derart ausgeführt,
dass die an der Oberfläche des Belagträgers entstehende
Hartschicht eine keramische Schicht ist. Da das Walzen das Material
plastisch nur verformt, insbesondere also ohne Rissbildung und dergleichen,
ist die keramisierte dünne Schicht optimal angebunden und kann
auch besonders hoher Krafteinwirkung standhalten. Außerdem
ist das gewalzte Blech mit einer geringen Schichtdicke von beispielsweise
einigen mm ausführbar. Somit ist das Blech selbst elastisch und
kann Kräfte aufnehmen. Da ein dünnes Blech verwendbar
ist, weist der Belagträger nur ein geringes Trägheitsmoment
auf. Der Belagträger ist drehfest mit der Rotorwelle verbunden,
vorzugsweise mittels einer Innenverzahnung.
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Alternativ
ist der Belagträger drehend bearbeitet. Auf diese Weise
ist eine Mitnehmer-Innenverzahnung einfach einbringbar zur formschlüssigen Verbindung
mit einer Außenverzahnung der Bremsrotorwelle. Dabei sind
im Belagträger Ausnehmungen zur Reduzierung der Massenträgheit
einbringbar. Diese sind axiale und/oder radiale Materialrücknahmen
oder axial durchgehende Löcher realisierbar.
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Somit
ist der Belagträger insgesamt sehr dünn ausführbar
und es ist eine geringe Massenträgheit erreichbar.
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Der
Belagträger ist wiederum formschlüssig mit der
Bremswelle verbunden.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wird statt des Grundwerkstoffes Aluminium für den Belagträger
Grauguss oder ein Stahl verwendet. Die anodische Oxidation wird
entsprechend angepasst.
- (i) Bei einem anderen
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist die Bremse derart aufgebaut, dass ein mit der Rotorwelle formschlüssig
verbundener Bremsbelagträger aus Aluminium gefertigt ist,
das plasmaelektrolytisch oxidiert ist. Dabei entstehen sehr feste
Hartschichten, die mehr als 100 μm und bis zu 500 μm
erreichen. Da der gesamte Bremsbelagträger plasmaelektrolytisch
behandelt ist, ist die formschlüssige Verbindung zur Rotorwelle
sehr verschleißarm ausgeführt. Somit können
Drehschwingungen, also Schwankungen in der Drehzahl, nur zu geringen
Abnutzungen dieser formschlüssigen Verbindung führen.
Zur
Bremsung reiben die organischen Bremsbeläge, die auf dem
Bremsbelagträger angebracht sind, an der Ankerscheibe,
die aus Stahl oder aus einem ebenfalls plasmaelektrolytisch behandelten
Aluminiumteil besteht. Im letztgenannten Fall ist ein besonders
verschleißarmes Bremsen ermöglicht.
- (ii) Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist die Bremse derart aufgebaut, dass eine mit der Rotorwelle formschlüssig
verbundene Bremsscheibe aus Aluminium gefertigt ist, das plasmaelektrolytisch
oxidiert ist. Dabei entstehen sehr feste Hartschichten, die mehr
als 100 μm und bis zu 500 μm erreichen. Da die
gesamte Scheibe plasmaelektrolytisch behandelt ist, ist die formschlüssige
Verbindung zur Rotorwelle sehr verschleißarm ausgeführt.
Somit können Drehschwingungen, also Schwankungen in der
Drehzahl, nur zu geringen Abnutzungen dieser formschlüssigen
Verbindung führen. Die Verbindung ist als Welle-Nabe-Verbindung
ausgeführt, die insbesondere eine Innenverzahnung an der
Bremsscheibe, also Mitnehmerverzahnung, umfasst.
Zur Bremsung
reibt die Bremsscheibe auf dem Motorgehäuse oder einem
Lagerschild, das aus einem ebenfalls plasmaelektrolytisch behandelten
Aluminiumteil besteht. Somit ist die Wärmeabfuhr vom Bremsen
und vom Stator des Elektromotors über das Gehäuseteil
realisiert. Außerdem nimmt das Gehäuseteil ein
Lager zur Lagerung der Rotorwelle auf und führt die zugehörigen
Reaktionskräfte ab. Die plasmaelektrolytische Oxidation
ist hierfür förderlich, da sie die Festigkeit des
Gehäuseteils erhöht.
- (iii) Bei einem anderen erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel ist die Bremse derart aufgebaut, dass
eine mit der Rotorwelle formschlüssig verbundene Bremsscheibe
aus Aluminium gefertigt ist, das plasmaelektrolytisch oxidiert ist.
Dabei entstehen sehr feste Hartschichten, die mehr als 100 μm
und bis zu 500 μm erreichen. Da die gesamte Scheibe plasmaelektrolytisch
behandelt ist, ist die formschlüssige Verbindung zur Rotorwelle
sehr verschleißarm ausgeführt. Somit können
Drehschwingungen, also Schwankungen in der Drehzahl, nur zu geringen
Abnutzungen dieser formschlüssigen Verbindung führen.
Zur
Bremsung wird die Bremsscheibe mittels Federkraft gegen das Motorgehäuse
des Elektromotors oder ein Gehäuseteil, wie Lagerschild,
des Elektromotors gedrückt, das eine entsprechende Bremsfläche
aufweist, die mit dem organischen Bremsbelag belegt ist. Das Motorgehäuse
dient hierbei auch zur Entwärmung des Stators des Elektromotors.
Zusätzlich wird auch ein Teil der Bremswärme über
das Motorgehäuse abgeführt.
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Optional
besteht das Motorgehäuse aus ebenfalls plasmaelektrolytisch
behandeltem Aluminium. Somit ist die Festigkeit des Gehäuseteils
verbessert, wodurch es ermöglicht ist, dass das Gehäuseteil ein
Lager zur Lagerung der Rotorwelle aufnimmt und die zugehörigen
Reaktionskräfte abführt. Die plasmaelektrolytische
Oxidation ist hierfür förderlich, da sie die Festigkeit
des Gehäuseteils erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0112439
B1 [0002]
- - EP 0957281 A2 [0031]