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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Bremse oder Kupplung.
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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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Aus der
DE 36 25 274 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer innerlich oxidierten Legierung bekannt.
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Aus der
EP 1 741 687 A1 ist ein poröser beta SiC-haltiger keramischer Formkörper bekannt.
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Aus der
DE 103 54 655 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundteils bekannt.
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Aus der
EP 0 112 439 B1 ist ein Verfahren zur anodischen Oxidation von Aluminiumlegierungen bekannt.
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Aus der
EP 0 957 281 A2 ist eine elektromagnetisch betätigbare Bremse ohne Bremsfläche bekannt.
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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 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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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bremsscheibe mit der Rotorwelle formschlüssig, insbesondere über eine verzahnte Welle-Nabe-Verbindung, verbunden, 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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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Die Erfindungen ist auf Bremsen 10, bei denen ein Belagträger 5 mit Bremsbelag 6 in Reibkontakt bringbar ist, und ebenso auf Reibkupplungen, bei denen ebenfalls ein Belag in Reibkontakt bringbar ist, anwendbar.
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In der 1 ist eine Bremse 10 schematisch in Schnittansicht gezeichnet.
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Die Bremse
10 ist entsprechend der
1 der
EP 0 957 281 A2 aufgebaut, wobei für die hier vorliegende Erfindung das Dämpfungselement
8 nicht notwendig ist.
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Zum Lüften der Bremse 10 wird die Bremsspule 1 bestromt und somit die Ankerscheibe 7 axial in Richtung des Spulenkerns 2 bewegt entgegen der Federkraft der Druckfedern 3. Zum Einfallen der Bremse 10 wird der Spulenstrom ausgeschaltet und die Druckfedern 3 drücken demzufolge die Ankerscheibe 7 in Richtung auf den Bremsbelag 6 des mit der Rotorwelle drehfest verbundenen, insbesondere formschlüssig verbundenen Belagträgers 5. Auf der der Ankerscheibe 7 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 6 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 5, 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 5 hinein und nicht nur an den Reibpartner, also die Ankerscheibe 7 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 10 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 10.
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Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Belagträger 5 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 5 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 5 nur ein geringes Trägheitsmoment auf. Der Belagträger 5 ist drehfest mit der Rotorwelle verbunden, vorzugsweise mittels einer Innenverzahnung.
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Alternativ ist der Belagträger 5 drehend bearbeitet. Auf diese Weise ist eine Mitnehmer-Innenverzahnung einfach einbringbar zur formschlüssigen Verbindung mit einer Außenverzahnung der Bremsrotorwelle. Dabei sind im Belagträger 5 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 5 insgesamt sehr dünn ausführbar und es ist eine geringe Massenträgheit erreichbar.
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Der Belagträger 5 ist wiederum formschlüssig mit der Bremswelle verbunden.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt des Grundwerkstoffes Aluminium für den Belagträger 5 Grauguss oder ein Stahl verwendet. Die anodische Oxidation wird entsprechend angepasst.
- (i) Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Bremse 10 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.
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Zur Bremsung reiben die organischen Bremsbeläge, die auf dem Bremsbelagträger angebracht sind, an der Ankerscheibe 7, die aus Stahl oder aus einem ebenfalls plasmaelektrolytisch behandelten Aluminiumteil besteht. Im letztgenannten Fall ist ein besonders verschleißarmes Bremsen 10 ermöglicht.
- (ii) Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Bremse 10 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.
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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 10 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 10 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.
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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 6 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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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremsspule
- 2
- Spulenkern
- 3
- Druckfeder
- 4
- Rotationsachse
- 5
- Belagträger
- 6
- Bremsbelag
- 7
- Ankerscheibe
- 8
- Dämpfungselement
- 9
- Stahlblech
- 10
- Bremse
