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Die Erfindung betrifft eine Halteanordnung, die eine axial symmetrische Umhüllung und ein axial symmetrisches, bewegliches Element umfasst, welches bezüglich der Umhüllung in axialer Richtung beweglich ist. Die Erfindung betrifft auch einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor.
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Auf mehreren technischen Gebieten werden Halteanordnungen verwendet, um die Stellung eines beweglichen Elements bezüglich anderer umgebender Bauteile zu halten oder zu fixieren. Eine typische Anwendung auf dem Automobilsektor bezieht sich auf die Parkbremsenfunktion bei einer elektromechanischen Bremse (EMB). Bei dieser Art von Bremsen wird die Spannkraft typischerweise durch Drehen eines Kugelgewindetriebs mit einem Elektromotor eingestellt, wodurch ein Bremskolben gegen die Bremsscheibe bewegt wird und einen Bremsbelag gegen die Bremsscheibe drückt. Um die Parkbremsenfunktion zu liefern, müssen die Drehfreiheitsgrade des Kugelgewindetriebs und/oder des Rotors des Elektromotors gesperrt werden, um zu gewährleisten, dass die Zuspannkraft der elektromechanischen Bremse ausreichend erhalten bleibt, nachdem der Fahrer das Fahrzeug verlassen hat.
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Diese Funktion wird üblicherweise von einem Hubmagnet geliefert. Dieser Hubmagnet muss eine große Hubkraft haben und sollte kompakt konstruiert sein. Bei konventionellen Konstruktionen ist üblicherweise der Rotor oder der Kugelgewindetrieb mit einem Klinkenrad verbunden, und der Hubmagnet ist neben dem Klinkenrad montiert, um zum Fixieren oder Feststellen der Bremse eine Ratsche oder Klinke zum Klinkenrad zu drücken, damit sie dort eingreift. Vorzugsweise sollte bei solchen Hubmagneten die Hubkraft mit dem Hub zunehmen. In einer stabilen Stellung sollte, wenn kein Strom angelegt wird, der Hubmagnet die Parkbremsenfunktion gewährleisten, die den Motor am Drehen hindert. Wenn die Parkbremse nachgestellt wird, z.B. um wegen des Abkühlens der Bremsscheibe und des Abnehmens der Spannkraft nachzuregeln, sollte der Kolben oder Stößel des Hubmagneten, mit dem die Ratsche verbunden ist, wie eine Feder reagieren. Andererseits muss die entsprechende Kraft geliefert werden, die groß genug ist, um den Kolben in eine Stellung zurückzudrücken, in der eine Nachstellung der Parkbremse durchgeführt werden kann. Wenn kein Strom angelegt wird, sollte zusätzlich die Hubkraft groß genug sein, um den Kolben in seiner Stellung zu halten und das Blockieren des Rotors und somit die Parkbremsenfunktion zu gewährleisten.
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Konventionelle Konstruktionen werden mit zwei Arten von bistabilen Hubmagneten hergestellt; einer mit zwei Elektromagneten und einem Dauermagnet, und einer mit einem Elektromagnet, einer Feder und einem Dauermagnet. Der Nachteil dieser zwei Arten von Hubmagneten liegt darin, dass die Sperrkraft nicht mit dem Hubweg zunimmt, sondern eher exponentiell abnimmt.
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Die von der vorliegenden Erfindung zu lösende technische Aufgabe ist es, einen Haltemechanismus mit zwei stabilen Stellungen zu liefern, bei dem die Kraft mit dem Hub zunimmt. Weiter soll ein Elektromotor mit einem entsprechenden Haltemechanismus bereitgestellt werden.
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Bezüglich der Halteanordnung wird diese technische Aufgabe durch einen ersten ringförmigen Magnet, der mit den Magnetpolen in axialer Richtung angeordnet an der axial symmetrischen Umhüllung befestigt ist, und einen zweiten ringförmigen Magnet mit im Vergleich mit dem ersten Magnet umgekehrter Polarität gelöst, der radial vom ersten Magnet umgeben und am axial symmetrischen, beweglichen Element befestigt ist, wobei in einer Haltestellung in radialer Richtung die Magnetpole des ersten Magnets hinter den jeweiligen entgegengesetzten Polen des zweiten Magnets angeordnet sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung basiert auf der Überlegung, dass, um zwei stabile Stellungen in einer Halteanordnung zu liefern, diese zwei Stellungen relativen Minimalwerten der potentiellen Energie entsprechen oder sich dementsprechend verhalten sollten. Das heißt, wenn das bewegliche Element von einer dieser stabilen Stellungen weg bewegt wird, eine Kraft auf das bewegliche Element wirken sollte, die versucht, das Element in seine stabile Stellung zurückzuziehen. In anderen Worten: Eine solche Anordnung sollte ein federartiges Verhalten liefern, bei dem die (rücktreibende) Kraft mit der Entfernung bezüglich der stabilen Stellung zunimmt. Solche Kräfte können durch elektromagnetische Magnete oder Dauermagnete erzeugt werden.
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Wie nun erkannt wurde, kann eine Halteanordnung mit zwei stabilen Stellungen für ein bewegliches Element, das gegen eine Umhüllung beweglich ist, mit einer spezifischen Anordnung von zwei ringförmigen Magneten, einem ersten ringförmigen Magnet und einem zweiten ringförmigen Magnet, realisiert werden. Um die Funktionalität auch im stromlosen Fall zu liefern, sind die zwei Magnete vorzugsweise als Dauermagnete ausgeführt. Der erste oder äußere ringförmige Dauermagnet ist an der Umhüllung fixiert oder befestigt. Da die Umhüllung und das bewegliche Element axial symmetrisch sind, sind die Pole dieses ersten Magnets in axialer Richtung angeordnet. Der zweite ringförmige Magnet, vorzugsweise wieder ein Dauermagnet, ist an oder auf das bewegliche Element montiert, und wieder sind seine Magnetpole in axialer Richtung angeordnet oder ausgerichtet, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen bezüglich des ersten Magnets.
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In einer Halte- oder ersten stabilen Stellung sind die zwei Magnete so angeordnet, dass in der radialen Richtung der Nordpol des ersten Magnets hinter dem Südpol des zweiten Magnets liegt, und der Südpol des ersten Magnets hinter dem Nordpol des zweiten Magnets liegt. In anderen Worten: Der Nordpol des ersten Magnets und der Südpol des zweiten Magnets sind einander benachbart, und Gleiches gilt für die zwei anderen Pole. Aufgrund dieser Nachbarschaft der jeweiligen Pole bewahren oder halten die Anziehungskräfte zwischen diesen Polen das bewegliche Element in dieser Halte- oder stabilen Stellung. So wird aufgrund der Nachbarschaft der entgegengesetzten Pole der zwei Magnete eine stabile Stellung erzeugt.
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Diese Konfiguration hat als zweites Merkmal die Eigenschaft, dass sie ein federartiges Verhalten liefert, wenn das bewegliche Element weg von dieser stabilen Stellung in eine beliebige der zwei Richtungen in axialer Richtung der Anordnung bewegt wird. Das federartige Verhalten stammt von der spezifischen Anordnung der jeweiligen Nordpole der zwei Magnete und der jeweiligen Südpole der zwei Magnete zueinander. Wenn das bewegliche Element von der stabilen Stellung weg in eine der zwei Richtungen verschoben wird, nähern sich entweder die zwei Nordpole der zwei Magnete oder die zwei Südpole einander an. Die Abstoßungskräfte, die zunehmen, wenn die zwei Nord- oder Südpole sich einander annähern, führen zu einem federartigen Verhalten: Die Magnete versuchen, das bewegliche Element in die stabile oder Haltestellung zurückzudrücken.
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Die Anziehungskräfte zwischen den entgegengesetzten Polen der zwei Magnete werden leicht geschwächt, wenn das bewegliche Element von der stabilen Stellung weg bewegt wird, bleiben aber erhalten.
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Eine zweite stabile Stellung des beweglichen Elements bezüglich der Umhüllung kann erreicht werden, wenn diese Abstoßungskraft zwischen gleichen Polen der zwei Magnete überwunden wird, und es wird eine Konfiguration des ersten und des zweiten Magnets erreicht, in der die zwei Magnete in radialer Richtung im Wesentlichen nicht überlappen. In einer solchen Konfiguration sind in axialer Richtung der Anordnung erst der Süd- und Nordpol des ersten Magnets und dann der Nord- und Südpol des zweiten inneren Magnets nacheinander (oder, abhängig von der Richtung, in der das bewegliche Element bezüglich der Umhüllung verschoben wird, anders herum) angeordnet. In dieser zweiten stabilen Stellung liefern die zwei Nordpole der zwei Magnete oder die zwei Südpole eine Abstoßungskraft in der Art, dass eine Kraft benötigt wird, um das bewegliche Element in die erste stabile Stellung zu bewegen. Daher wird auch in dieser Stellung ein federartiges Verhalten realisiert. Auf diese Weise werden die Nachteile üblicher Lösungen beseitigt.
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Eine Anordnung, in der der erste und der zweite Magnet Dauermagnete sind, wird vorzugsweise bei elektromechanischen Bremsen verwendet, wo diese zwei Stellungen auch im Fall eines Netzausfalls, oder wenn der Fahrer das Fahrzeug verlassen und den Motor abgestellt hat, stabil sein müssen. Bei anderen technischen Anwendungen der Halteanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei denen ein solches Verhalten nicht notwendig ist, könnten die zwei Magnete auch als Elektromagnete realisisert sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungform der Halteanordnung umfasst diese weiter eine ringförmige Elektromagnetanordnung, die an der Umhüllung befestigt ist, und einen dritten ringförmigen Magnet, der am beweglichen Element befestigt ist, wobei in der Haltestellung in axialer Richtung der erste Magnet, die Elektromagnetanordnung und der dritte Magnet nacheinander angeordnet sind. Eine solche Anordnung ermöglicht es, das bewegliche Element aktiv zwischen den zwei stabilen Stellungen zu bewegen. Vorzugsweise sind auch die Pole des dritten ringförmigen Magnets in axialer Richtung der Anordnung angeordnet oder ausgerichtet. Die Ausrichtung der Pole des dritten Magnets in axialer Richtung ist vorzugsweise in umgekehrter Reihenfolge zu den Polen des zweiten Magnets.
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Um das bewegliche Element von der ersten in die zweite stabile Stellung zu bewegen, könnte für den beschriebenen Fall, dass die Pole des dritten Magnets in axialer Richtung angeordnet sind, die Elektromagnetanordnung aus nur einem Elektromagnet bestehen. Wenn der Elektromagnet angetrieben wird, um das bewegliche Element zu bewegen, ziehen die Elektromagnetanordnung und der zweite Magnet einander an, während der dritte Magnet und die Elektromagnetanordnung einander abstoßen. Wenn das Magnetfeld der Elektromagnetanordnung groß genug ist, kann die von der Anziehung der entgegengesetzten Pole der ersten und zweiten Magnete verursachte Kraftsperre überwunden und das bewegliche Element in die zweite stabile Stellung verschoben werden. Um das bewegliche Element in die erste stabile Stellung zurück zu bewegen, muss nur die Polarität der Elektromagnetanordnung umgekehrt werden, was zu einer Anziehung zwischen dem dritten Magnet und der Elektromagnetanordnung führt.
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Alternativ zur oben beschriebenen Konfiguration könnten die Pole des dritten Magnets auch in radialer Richtung angeordnet sein. Um die notwendige Abstoßung zwischen der Elektromagnetanordnung und dem dritten Magnet in einer solchen Konfiguration zu liefern, würde die Elektromagnetanordnung mehrere Elektromagnete umfassen, die so angeordnet sind, dass die Magnetpole der Elektromagnetanordnung in radialer Richtung angeordnet sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung, die besonders nützlich ist für die Anwendung bei elektromechanischen Bremsen, ist das bewegliche Element als ein Kolben ausgeführt.
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Die oben erwähnte Aufgabe wird entsprechend durch einen Elektromotor, vorzugsweise zur Verwendung in einer elektromechanischen Bremse, mit einem Stator und einem Rotor und mit einer oben beschriebenen Halteanordnung gelöst, wobei der Rotor der Umhüllung entspricht und wobei das bewegliche Element als ein Kolben konstruiert ist, und wobei der Kolben und der Rotor drehfest zueinander angeordnet sind. Das heißt, dass der Kolben und der Rotor daran gehindert werden, gegeneinander oder relativ zueinander zu drehen. Solch ein Elektromotor stellt eine Halteanordnung, die in einer sehr kompakten Konstruktion realisisert ist, zur Verfügung, da die Halteanordnung sich in einem Raum oder Abteil innerhalb des Elektromotors befindet, der normalerweise nicht genutzt wird. Daher wird kein ergänzender oder zusätzlicher Mechanismus benötigt, der neben dem Elektromotor montiert werden muss. Andere übliche Konstruktionen ohne solche externen ergänzenden Vorrichtungen blockieren den Motor elektrisch und können nicht lange angewendet werden.
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Der Elektromotor ist vorzugsweise als ein bürstenloser Motor konstruiert, bei dem der Rotor einen Kern enthält, der von Dauermagneten umgeben ist. Dieser Kern ist üblicherweise ein ungenutzter oder freier Raum. Diese Situation wird auch bei Rotoren von Asynchronmotoren angetroffen. Wie erkannt wurde, kann dieser Raum genutzt werden, um eine Halteanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung einzufügen.
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In einer bevorzugten Ausführung des Motors umfasst der Elektromotor ein Gehäuse, das den Rotor und den Stator umgibt, wobei der Stator an dem Gehäuse befestigt ist und wobei eine ringförmige Elektromagnetanordnung am Stator oder am Gehäuse befestigt und ein dritter ringförmiger Magnet am Kolben befestigt ist. In dieser Anordnung kann der Kolben nicht nur in zwei stabilen Stellungen gehalten werden, sondern kann auch – durch Einschalten der Elektromagnetanordnung – zwischen den zwei Stellungen bewegt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind mehrere Befestigungselemente auf den Kolben montiert, und das Gehäuse enthält Öffnungen derart, dass in einer Befestigungsstellung die Befestigungselemente in die Öffnungen eingreifen, wodurch das Drehen des Rotors bezüglich des Gehäuses verhindert wird. In einer solchen Vorrichtung ist der Blockier- oder Feststellmechanismus zum Liefern einer Parkbremsenfunktion in einer elektromechanischen Bremse im Prinzip in den Elektromotorraum integriert. Die Länge des Gehäuses des Elektromotors muss nur um etwa 10 bis 30 % im Vergleich mit aus dem Stand der Technik bekannten Elektromotoren vergrößert werden.
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Die Befestigungselemente sind vorzugsweise auf einem Umfang des Kolbens angeordnet, so dass, wenn der Kolben in die zweite stabile Stellung oder die Befestigungsstellung bewegt wird, diese Befestigungselemente in entsprechende Öffnungen im Gehäuse eingreifen, wodurch die Drehung des Kolbens und des Rotors verhindert wird.
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Die Befestigungselemente können als Klinken oder als Riegel ausgebildet sein. Riegel, wenn sie in entsprechende Öffnungen eingreifen, verhindern das Drehen des Rotors in beide Richtungen, d.h. im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn. Wenn Klinken verwendet werden, kann die Drehung des Elektromotors in einer Richtung gesperrt werden, während die Freigabe und die Drehung in der Gegenrichtung erlaubt ist. Eine solche Konstruktion ermöglicht ein Nachstellen der Bremse oder ein Nachstellen der Zuspannkraft, wenn das Fahrzeug geparkt ist, was aufgrund des Abkühlens der Bremsscheibe und dadurch den Verlust an Zuspannkraft notwendig sein kann. Das heißt, dass die Drehrichtung des Rotors zur Erhöhung der Spannkraft dann erlaubt ist, während die Gegenrichtung blockiert wäre.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen hauptsächlich in der Herstellung einer Halteanordnung mit zwei stabilen Stellungen, die ein federartiges Verhalten bezüglich des beweglichen Elements vorweist. Durch die beschriebene Ausführung von zwei ringförmigen Dauermagneten werden zwei stabile Stellungen realisiert, ohne irgendeinen Bedarf an Stromversorgung. Mit einem dritten Dauermagnet und einer Elektromagnetanordnung, die in axialer Richtung zwischen dem ersten und zweiten Magnet und dem dritten Magnet angeordnet ist, wird ein Mechanismus bereitgestellt, um das bewegliche Element von der ersten in die zweite stabile Stellung und zurück zu bewegen.
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Mit einem Elektromotor, bei dem eine solche Halteanordnung in den Raum des Stators eingebaut und mit dem Rotor und dem Kolben verbunden ist und bei dem Befestigungselemente auf dem Kolben vorgesehen sind, wird ein Verrieglungsmechanismus derart hergestellt, dass keine externen oder ergänzenden oder zusätzlichen Vorrichtungen benötigt werden.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung anhand von Figuren.
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Es zeigen:
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1 eine Halteanordnung mit einer axial symmetrischen Umhüllung, einem axial symmetrischen, beweglichen Element und einem ersten und einem zweiten Dauermagnet,
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2 die Halteanordnung der 1, die weiter einen dritten Dauermagnet und eine Elektromagnetanordnung umfasst, in einer ersten stabilen Stellung,
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3 die Halteanordnung der 2 in einer zweiten stabilen Stellung,
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4 die Abhängigkeit einer Kraft vom Hub in konventionellen Halteanordnungen,
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5 die Abhängigkeit einer Kraft vom Hub für eine Halteanordnung, die in den 1 bis 3 gezeigt ist,
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6 einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor und einer Halteanordnung aus den vorhergehenden Figuren in einer ersten stabilen Stellung,
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7 den Elektromotor der 6 in einer zweiten stabilen Stellung, und
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8 einen Teil des Kolbens des Elektromotors der 7 in einer perspektivischen Ansicht mit den Befestigungselementen als Klinken ausgeführt.
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Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Halteanordnung 2 in 1 umfasst eine axial symmetrische Umhüllung 8 und ein axial symmetrisches, bewegliches Element 14, welche beide um die Achse 12 axial symmetrisch sind. Ein erster Magnet 20, der ein Dauermagnet ist, ist auf die Umhüllung 8 montiert oder an der Umhüllung 8 befestigt. Sein (magnetischer) Nordpol 26 und (magnetischer) Südpol 32 sind entlang der Achse 12 ausgerichtet. Ein zweiter Magnet 38, der auch ein Dauermagnet ist, ist am beweglichen Element 14 befestigt und hat seinen Nordpol 44 und seinen Südpol 50 auch entlang der Achse 12 ausgerichtet, aber in umgekehrter Reihenfolge im Vergleich mit dem ersten Magnet 20. In radialer Richtung 56 ist der Nordpol 26 des ersten Magnets 20 hinter dem Südpol 50 des zweiten Magnets 38 angeordnet, und in gleicher Weise ist der Südpol 32 des ersten Magnets 20 hinter dem Nordpol 44 des zweiten Magnets 38 angeordnet. Anordnung 2 ist in einer ersten Stellung, einer Haltestellung, gezeigt. Die Haltestellung ist aufgrund der Anziehung des Nordpols 26 und Südpols 50 sowie der Anziehung zwischen Südpol 32 und Nordpol 44 stabil.
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Wenn das bewegliche Element 14 in der Hubrichtung 62 von der stabilen Stellung weg bewegt wird, nähern sich die Nordpole 26 und 44 einander an, wodurch eine Abstoßungskraft erzeugt wird, die zunimmt, je näher sich die Nordpole 26 und 44 kommen. In gleicher Weise, wenn das bewegliche Element 14 sich von der Haltestellung oder ersten stabilen Stellung, die in 1 gezeigt ist, in die zur Hubrichtung 62 entgegengesetzte Richtung weg bewegt, nähern sich der Südpol 32 und der Südpol 50 einander an und erzeugen eine Abstoßungskraft. Während dieser Bewegungen nehmen die Anziehungskräfte zwischen den Nord- und Südpolen der jeweiligen Magnete ab. Insgesamt führt dies zu einer Kraftsperre und einem federartigen Verhalten dieser Konfiguration.
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Eine zweite bevorzugte Ausführung der Halteanordnung 2 ist in 2 dargestellt. Zusätzlich zum ersten Magnet 20 und zum zweiten Magnet 38 sind eine Elektromagnetanordnung 70, die an der Umhüllung 8 befestigt ist, und ein dritter Magnet 76 (ein Dauermagnet), der fest mit dem beweglichen Element 14 verbunden ist, vorhanden. In Hubrichtung 62 gesehen, sind der erste und zweite Magnet 20, 38, die Elektromagnetanordnung 70 und der dritte Magnet 76 in dieser Reihenfolge angeordnet. Die in 2 gezeigte Anordnung erlaubt die Bewegung des beweglichen Elements 14 in Hubrichtung 62 durch Einschalten der Elektromagnetanordnung 70.
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Zum Bewegen des beweglichen Elements 14 in der Hubrichtung 62 müssen die Anziehungskräfte zwischen dem Süd- bzw. Nordpol des ersten und zweiten Magnets 20, 38 überwunden werden. Daher wird die Elektromagnetanordnung 70 derart mit Strom versorgt, dass ein starkes Magnetfeld mit seinem Südpol nahe dem Südpol des dritten Magnets 76 und seinem Nordpol nahe dem Südpol des zweiten Magnets 38 aufgebaut wird. Wenn das elektromagnetische Feld stark genug ist, wird der dritte Magnet 76 von der Elektromagnetanordnung 70 abgestoßen und der zweite Magnet 38 wird angezogen, was zu einer Aufwärtsbewegung führt, d.h. einer Bewegung in Hubrichtung 62 des beweglichen Elements 14.
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In 3 ist die Halteanordnung 2 mit dem von der ersten stabilen Stellung (oder Haltestellung) in die zweite stabile Stellung verschoben beweglichen Element 14 dargestellt. In der zweiten stabilen Stellung hat sich der zweite Magnet 38 weg vom ersten Magnet 20 in Hubrichtung 62 bewegt. Dies ist eine stabile Stellung bezüglich der Bewegung des beweglichen Elements 14 in umgekehrter Richtung zur Hubrichtung 62. Diese Stabilisierung wird durch die Abstoßungskraft zwischen den Nordpolen 26 und 44 bewirkt. So wird auch in der zweiten stabilen Stellung ein federartiges Verhalten der Konfiguration erreicht, was bedeutet, dass die Kraft mit dem Hub zunimmt.
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Die Beziehung zwischen Kraft und Hub für konventionelle Hubmagnetkonstruktionen zur Verwendung in elektromechanischen Bremsen (EMB) ist in 4 dargestellt, in der die x-Achse 90 den Hub oder die Bewegung des beweglichen Elements und die y-Achse 96 die entsprechende Kraft anzeigt. Kurve 102 zeigt das Verhalten der Kraft als eine Funktion des Hubs. Wie in der Figur zu sehen ist, nimmt mit zunehmendem Hub oder Verschiebung des beweglichen Elements die Kraft ab. Dieses Verhalten ist nachteilig, da es nicht wirklich eine stabilisierte Konfiguration liefert. Zum Beispiel bei einer maximalen Parkbremskraft, wenn der Kolben mit der Spitze einer Ratsche in Kontakt ist, besteht die Gefahr, dass, wenn der Elektromotor abgeschaltet wird, die Umkehrkraft des Bremsmechanismus den Kolben von einer Spitze zu einer anderen springen lässt oder sogar den Kolben in die unverriegelte Stellung drückt. Daher muss die Kraft des Hubmagnets so groß wie möglich sein.
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Außerdem, bei Betrachtung der Situation, in der der Fahrer die Parkbremse einlegt, dreht das Steuergerät der EMB den Elektromotor um ein paar Umdrehungen und rastet dann den Verriegelungskolben ein. Nach ein paar Minuten, wenn die Bremsscheibe etwas abgekühlt ist, muss das Steuergerät die Parkbremse aufgrund des Zusammenziehens der Bremsscheibe nachstellen. In diesem Fall ist es eine bevorzugte Art des Nachstellens der Bremse, nur den Elektromotor weiter zu drehen, ohne den Hubmagnet zu betätigen. Bei einem üblichen Hubmagnet drückt die Geschwindigkeit der Ratsche den Kolben mit großer Geschwindigkeit. Dies kann zu der Situation führen, dass der Kolben aufgrund des Verhaltens von Kraft zu Hub für diese Art von Hubmagneten in die unverriegelte Stellung springt.
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Verglichen mit der oben beschriebenen üblichen Konstruktion ist die Situation bei der Halteanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung anders. Deren funktionelle Abhängigkeit der Kraft vom Hub ist in 5 dargestellt.
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Die x-Achse 90 zeigt wieder den Hub an, die y-Achse 96 die entsprechende Kraft. Das funktionelle Verhalten wird von der Kurve 108 angezeigt. Wie man in dieser Figur sehen kann, nimmt die Kraft mit zunehmendem Hub zu, was zu einem federartigen Verhalten und einer stabilisierten Stellung führt.
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Eine beispielhafte Ausführung eines Elektromotors 110 gemäß der vorliegenden Erfindung, welcher eine Halteanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, ist in 6 dargestellt. Elektromotor 110 umfasst einen Rotor 120, der von einem Stator 126 umgeben ist, die beide in ein Gehäuse 132 eingesetzt sind. Ein Kolben 144 und der Rotor 120 enthalten eine Keilwelle 138. Aufgrund dieser Keilwelle 138 ist der Kolben 144 in Hubrichtung 62 beweglich. Der Kolben 144 und der Rotor 120 sind aufgrund der Welle 138 rotationssymmetrisch angeordnet und sind drehfest miteinander verbunden, was bedeutet, dass sie bezüglich einer Drehung gegeneinander fixiert sind.
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Bei diesem Motor 110 entspricht der Kolben 144 dem beweglichen Element 14, und der Rotor 120 entspricht der Umhüllung 8 der Halteanordnung, die in 1, 2 und 3 gezeigt ist. Während der zweite Magnet 38 am Kolben 144 befestigt oder darauf montiert ist, ist der erste Magnet 20 auf dem Rotor 120 montiert. Der dritte Magnet 76 ist fest mit dem Kolben 144 verbunden oder daran befestigt, während die Elektromagnetanordnung 70 bzw. der Aktuator-Elektromagnet am Stator 126 oder am Gehäuse 132 fixiert oder befestigt ist. Die Elektromagnetanordnung 70 und der dritte Magnet 76 sind von einer magnetisch isolierenden Schicht 150 umgeben, die gewährleistet, dass die Magnetfelder des Stators 126 und des Rotors 120 gar nicht oder nur geringfügig von diesen zwei Magneten beeinflusst werden.
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Der Elektromotor 110 ist in der Haltestellung gezeigt, in der entgegengesetzte Pole der Magnete 20 und 38 einander anziehen und jeweils radial benachbart ausgerichtet sind. Der Kolben 144 umfasst Befestigungselemente 162, die in der vorliegenden Ausführung als Klinken oder Ratschen konstruiert sind, die ausgeführt sind, um in Öffnungen 168 im Gehäuse 132 eingreifen zu können. Um die Befestigungselemente 162 in die Öffnungen 168 einzuführen, wird die Elektromagnetanordnung 70, die im vorliegenden Fall als ein Elektromagnet konstruiert ist, so angetrieben, dass ihr Nordpol nahe dem Nordpol des dritten Magnets 76 und der Südpol nahe dem Südpol des zweiten Magnets 38 ist. Wenn das resultierende Magnetfeld der Elektromagnetanordnung 70 groß genug ist, wird der Kolben 44 nach oben, d.h. in Hubrichtung 62, bewegt, bis die Befestigungselemente 162 in die Öffnungen 168 eingreifen und der dritte Magnet 76 die Stahlabdeckung 156 des Gehäuses 132 berührt.
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Diese Konfiguration ist in 7 gezeigt. Die Befestigungselemente 162 sind in die Öffnungen 168 eingeführt. Diese Konfiguration entspricht der zweiten stabilen Stellung der Halteanordnung 2, in der die Nordpole eines ersten Magnets 20 und zweiten Magnets 38 einander abstoßen. Wenn dann die Stromversorgung der Elektromagnetanordnung 70 abgeschaltet wird, bleibt daher die Konfiguration erhalten, da Kolben 144 und Rotor 120 bezüglich einer Drehung gegeneinander fixiert sind. So wird eine wirksame Sperrung der Drehung des Rotors 120 erzielt. In der technischen Anwendung, in der Elektromotor 110 verwendet wird, um die Spannkraft in einer EMB zu liefern, wird so eine wirksame Art und Weise realisiert, um eine Parkbremsenfunktion zu liefern. Diese Parkbremsenfunktion liefert eine sehr kompakte Konstruktion, da sie im Prinzip nur die Notwendigkeit von zusätzlich 10% bis 30% der Länge des Motors 110 in Hubrichtung erfordert, um die Halteanordnung zu umgeben. Es sind keine zusätzlichen Vorrichtungen, die nahe dem Kolben montiert sind, getrennte Sperrräder und Hubmagnete notwendig.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel des dritten Magnets 76 sind dessen Magnetpole nicht in Hubrichtung 62, sondern in der radialen Richtung 56 fluchtend angeordnet. Die Elektromagnetanordnung hat dementsprechend eine ähnliche Ausrichtung ihrer Magnetpole. In dieser Konfiguration, in einer Befestigungsstellung wie in 7 gezeigt, sind die Magnetfeldlinien des dritten Magnets 76 in der Stahlabdeckung 156 eingeschlossen bzw. werden durch diese geführt (zusätzliche Stahlplatten können auf die Stahlabdeckung 156 montiert werden, um noch mehr Stabilität zu liefern).
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Um von der in 7 gezeigten Befestigungsstellung in die in 6 gezeigte Haltestellung zurückzugehen, muss die Polarität der Elektromagnetanordnung 70 umgekehrt werden, und das Magnetfeld muss stark genug sein, um die Abstoßungskräfte zwischen den Nordpolen der Magnete 20 und 38 zu überwinden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Befestigungselemente 162 ist in 8 gezeigt. Die Befestigungselemente 162 können in einem Stück mit dem Kolben 144 konstruiert sein und sind als Klinken oder Ratschen ausgeführt. Wenn diese Befestigungselemente 162 in entsprechende Öffnungen 168 im Gehäuse des Elektromotors eingreifen, ist eine Drehung entgegengesetzt zur Drehspannrichtung 180 blockiert. Andererseits, wenn mehr Spannkraft ausgeübt werden muss, kann der Rotor 120 zusammen mit dem Kolben 144 in Drehspannrichtung 180 gedreht werden, wodurch die Befestigungselemente 162 sich von den Öffnungen 168 weg bewegen, was den Kolben 144 in die zur Hubrichtung 62 umgekehrte Richtung drückt, bis sie wieder in die Öffnungen 168 eingreifen, während der Rotor 120 sich in einem gewissen Grad in der Drehspannrichtung 180 gedreht hat.
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Obwohl die Halteanordnung 2 und der Motor 110 in Verbindung mit elektromechanischen Bremsen beschrieben wurden, können sie in einer beliebigen Anwendung verwendet werden, in der eine Sperrung nach der Betätigung des Motors erforderlich ist, zum Beispiel bei Hebebühnen, Fensterhebern, usw. Außerdem ist die Konstruktion der beteiligten Magnete und Elektromagnetanordnung nicht auf die axiale Symmetrie und ringförmigen Konfigurationen beschränkt. Zum Beispiel könnten auch Magnete mit einem quadratischen oder rechteckigen Umfang verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Halteanordnung
- 8
- Umhüllung
- 12
- Achse
- 14
- bewegliches Element
- 20
- erster Magnet
- 26
- Nordpol
- 32
- Südpol
- 38
- zweiter Magnet
- 44
- Nordpol
- 50
- Südpol
- 56
- radiale Richtung
- 62
- Hubrichtung
- 70
- Elektromagnetanordnung
- 76
- dritter Magnet
- 90
- x-Achse
- 96
- y-Achse
- 102
- Kurve
- 108
- Kurve
- 110
- Elektromotor
- 120
- Rotor
- 126
- Stator
- 132
- Gehäuse
- 138
- Keilwelle
- 144
- Kolben
- 150
- magnetisch isolierende Schicht
- 156
- Stahlabdeckung
- 162
- Befestigungselement
- 168
- Öffnung
- 180
- Drehspannrichtung
