DE10324487A1

DE10324487A1 - Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung

Info

Publication number: DE10324487A1
Application number: DE2003124487
Authority: DE
Inventors: Hans Sautter
Original assignee: Kendrion Binder Magnete GmbH
Current assignee: Kendrion Villingen GmbH
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2023-05-31
Also published as: DE10324487B4

Abstract

Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung, die durch die Magnetkraft, erzeugt durch einen Permanentmagneten (1), einen Kraftschluss zwischen einem Anker (2) und den Polen (3) und (4) des Kupplungskörpers (5), erzeugt zur Übertragung eines Drehmoments durch Reibung und bei positiv gerichteter Bestromung einer Erregerspule (6) die Magnetkraft zwischen Anker (2) und dem Kupplungskörper (5) aufhebt, wodurch die Drehmomentübertragung unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erregerspule (6) von einem weichmagnetischen Werkstoff als Magnetkreis (7) umschlossen ist, welcher aus einem ortsfesten Magnetgehäuse (8), einem drehbeweglichen Kupplungskörper (5) mit den Polen (3) und (4) und einem axialbeweglichen und mit dem Abtrieb (12) formschlüssig verbundenen Anker (2) besteht, wobei zwischen sowie in unmittelbarer Nähe der beiden Pole (3) und (4) ein Permanentmagnet (1) in Magnetisierungsrichtung angeordnet ist, der einen Magnetfluss (13) erzeugt.

Description

Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplungen haben die Aufgabe, Drehmomente von einem Antrieb auf einen Abtrieb zu übertragen. Um sicherheitstechnische Anforderungen zu erfüllen, muss die Kupplung beim Abschalten des Stromes bzw. bei Stromausfall schließen. Beim Schließvorgang wird der Antrieb mit dem Abtrieb kraftschlüssig verbunden und durch Reibung die Antriebsdrehzahl an den Abtrieb übertragen. Die kraftschlüssige Verbindung wird durch Permanentmagnete erzeugt, deren Magnetfluss den Anker an den Magnetpolen unter Wirkung der Magnetkraft zum Anliegen bringt. Infolge der Anpresskraft zwischen den Polen und dem Anker wird unter Einfluss des Reibwertes ein Drehmoment erzeugt zum Antreiben von Lasten an der Abtriebsseite der Kupplung. Beim Einschalten des Stromes wird das Magnetfeld des Permanentmagneten durch das Elektromagnetfeld der Erregerspule umgelenkt, so dass der Anker von den Polen abhebt und somit die Drehmomentübertragung aufgehoben wird.
Permanenterregte, elektromagnetische Polreibungsbremsen die nach dem selben physikalischen Prinzip arbeiten sind seit langem bekannt. Es ist naheliegend aus solchen Bremsen eine Kupplung abzuleiten, die nach dem selben Prinzip arbeitet. Die Problematik besteht dabei darin, dass bei der Kupplung ein Drehmoment von einem drehbeweglichen Teil auf ein zweites drehbewegliches Teil zu übertragen ist. Die Polreibungsbremse hat lediglich ein rotierendes Teil, in der Regel der Anker, an dem das Bremsmoment entsteht, wobei die Erregerspule sowie der Permanentmagnet ortsfest angeordnet sind. Die beiden drehbeweglichen Teile, der Antriebsteil sowie der Abtriebsteil der Kupplung, müssen vom Erregersystem, dem stationären Teil, durch Luftspalte getrennt sein. Diese parasitären Luftspalte schwächen den Magnetfluss derart, dass bei der Kupplung ein deutlich geringeres Drehmoment als bei der Bremse zustande kommt.

Aufgabe der Neuerung ist es diesen Nachteil zu beseitigen, indem der Permanentmagnet in einem Kupplungskörper integriert wird und mit der Antriebs- oder Abtriebsseite mitrotiert. Dadurch kommt der Permanentmagnet voll zur Wirkung, d.h. der Magnetfluss wird nicht durch parasitäre Luftspalte geschwächt. Dies hat ein weitaus höheres Kupplungsmoment zur Folge.

Die Funktionsweise der Neuerung wird anhand der 1 bis 5 erläutert.
1 zeigt den Aufbau bei geschlossener Kupplung.
Der Anker (2) wird von den Polen (3) (4) durch den Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) angezogen, so dass zwischen Antrieb (11) und Abtrieb (12) ein Drehmoment übertragen wird. Der rotierende Kupplungskörper (5) trägt den Permanentmagneten (1) und beinhaltet die Pole (3) (4) die den Magnetfluss (13) über den Anker (2) leitet der infolge Reibung das Antriebsmoment an den Abtrieb (12) überträgt. Die Erregerspule (6) ist mit weichmagnetischen Teilen als Magnetkreis (7) umschlossen. Die Luftspalte (9), (10) gewährleisten, dass die Erregerspule (6) und das Magnetgehäuse (8) ortsfest und zentrisch angeordnet werden können. Wird die Kupplung als Bremse aufgebaut, so ist der Kupplungskörper (5) ebenfalls ortsfest angeordnet. In 1 wird beispielsweise die Zentrierung des Magnetgehäuses (8) von der Lagerbuchse (15) übernommen.
2 zeigt die geöffnete Kupplung.
Der Anker (2) wird von den Polen (3) (4) nicht angezogen, da infolge positiv gerichteter Bestromung der Erregerspule (6) der Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) vom Magnetfluss (14) der Erregerspule (6) umgelenkt wird und nicht über den Anker (2) fließt. Antrieb (11) und Abtrieb (12) sind frei drehbar und können kein Drehmoment übertragen, da die Pole (3) (4) und Anker (2) durch den Luftspalt (19) beabstandet sind.
Definition:
Positiv gerichtete Bestromung: Durch die Erregerspule (6) wird ein Magnetfluss (14) erzeugt, der den Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) von den Polen (3) (4) wegleitet.
Negativ gerichtete Bestromung: Durch die Erregerspule (6) wird ein Magnetfluss (14) erzeugt, der gemeinsam mit dem Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) über die Pole (3), (4) durch den Anker fließt.
3 zeigt die geschlossene Kupplung, wobei die Erregerspule (6) in negativer Richtung bestromt ist zur Verstärkung des Drehmomentes.
In den Polen (3) (4) und Anker (2) addieren sich die Magnetflüsse (13) und (14), so dass eine größere Anzugskraft auf den Anker (2) wirkt und dadurch das Drehmoment verstärkt wird. Der Anker (2) ist über die vorgespannte Federeinrichtung (16) beispielsweise mit axialbeweglichen Blattfedern an der Nabe (17) befestigt, zur drehsteifen Übertragung des Kupplungsmomentes vom Antrieb (11) auf den Abtrieb (12).
4 zeigt die Befestigung des Ankers (2) mit der Nabe (17) über die Federeinrichtung (16) durch die Nieten (18). In diesem beispielhaften Fall besteht die Federeinrichtung (16) aus vorgespannten und axial beweglichen Blattfedern. Zur spielfreien Übertragung des Drehmoments sind die Blattfedern tangential zur Drehrichtung angeordnet. Ist die Vorspannkraft (20) der Federeinrichtung (16) größer gewählt als die Magnetkraft, erzeugt durch den Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) bei geöffneter Kupplung, dann können mit der Kupplung vier Schaltzustände realisiert werden, wie aus 5 ersichtlich.
5 zeigt die vier Schaltzustände 1. bis 4. der Kupplung, wobei das Drehmoment (21) der Kupplung über den Strom der Erregerspule (6) aufgetragen ist. Die vier Schaltzustände sind im Anspruch 8 ausführlich beschrieben.
Es ist unerheblich ob die Drehzahl vom Antrieb (11) in den Abtrieb (12) eingeleitet wird oder umgekehrt. Die Funktionen werden dadurch nicht beeinflusst. Es ist denkbar, an oder zwischen den Reibflächen der Pole (3) und (4) Reibbeläge anzuordnen, zur Verbesserung der Reibeigenschaften der Kupplung.
Die permanenterregte, elektromagnetische Polreibungskupplung kann als Sonderfall einer Bremse angesehen werden. Die Neuerung ist somit auch als permanenterregte, elektromagnetische Polreibungsbremse verwendbar, wenn der Kupplungskörper (5) gemeinsam mit dem Magnetgehäuse (8) ortsfest angeordnet ist. Die Bremse dient zum Stillsetzen und Festhalten von statischen und dynamischen Lasten, über den Anker (2), der mit dem Abtrieb (12) axial beweglich aber drehfest verbunden ist. In diesem Fall wird der Abtrieb (12) zum Antrieb (11).
Definition:
Positiv gerichtete Bestromung: Durch die Erregerspule (6) wird ein Magnetfluss (14) erzeugt, der den Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) von den Polen (3) (4) verdrängt.
Negativ gerichtete Bestromung: Durch die Erregerspule (6) wird ein Magnetfluss (14) erzeugt, der gemeinsam mit dem Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) über die Pole (3), (4) durch den Anker fließt.

1: Permanentmagnet
2: Anker
3: Pol (Aussenpol)
4: Pol (Innenpol)
5: Kupplungskörper
6: Erregerspule
7: Magnetkreis
8: Magnetgehäuse
9: Luftspalt (außen)
10: Luftspalt (innen)
11: Antrieb
12: Abtrieb
13: Magnetfluss (Permanentmagnet)
14: Magnetfluss (Erregerspule)
15: Lagerbuchse
16: Federeinrichtung (Blattfeder)
17: Nabe
18: Niet
19: Luftspalt zwischen Anker (2) und Pole (3) (4)
20: Vorspannkraft der Federeinrichtung
21: Kraft des Ankers (2) auf die Pole (3) (4) bzw. Drehmoment der Kupplung als Funktion vom Strom
F: Magnetkraft, Federkraft
I: Strom
I_N: Nennstrom
M: Drehmoment der Kupplung
M_N: Nenndrehmoment der Kupplung

Claims

Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung die durch die Magnetkraft, erzeugt durch ein Permanentmagneten (1), einen Kraftschluss zwischen einem Anker (2) und den Polen (3) und (4) des Kupplungskörpers (5) erzeugt zur Übertragung eines Drehmoments durch Reibung und bei positiv gerichteter Bestromung einer Erregerspule (6) die Magnetkraft zwischen Anker (2) und dem Kupplungskörper (5) aufhebt, wodurch die Drehmomentübertragung unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erregerspule (6) von einem weichmagnetischen Werkstoff als Magnetkreis (7) umschlossen ist, welcher aus einem ortsfesten Magnetgehäuse (8), einem drehbeweglichen Kupplungskörper (5) mit den Polen (3) und (4), einem axialbeweglichen und mit dem Abtrieb (12) formschlüssig verbundenen Anker (2) besteht wobei zwischen, sowie in unmittelbarer Nähe der beiden Polen (3) und (4) ein Permanentmagnet (1) in Magnetisierungsrichtung angeordnet ist, der ein Magnetfluss (13) erzeugt.
Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (1) in den rotierenden Kupplungskörper (5) integriert ist.
Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein drehbeweglicher Kupplungskörper (5) vom ortsfesten Magnetgehäuse (8) durch Luftspalte (9) (10) getrennt ist.
Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die von der Kupplung zu übertragenden Lastmomente an einem Anker (2) oder Kupplungskörper (5) über einen Abtrieb (12) bzw. Antrieb (11) oder umgekehrt eingeleitet werden kann.
Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein Kupplungskörper (5) und Magnetgehäuse (8) derart aufgebaut und angeordnet ist, dass beim Bestromen der Erregerspule (6) mit negativ gerichtetem Strom der Magnetfluss (14) der Erregerspule (6) sowie der des Permanentmagneten (1) gemeinsam über die Pole (3) (4) und Anker (2) fließen.
Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein Kupplungskörper (5) und Magnetgehäuse (8) derart aufgebaut und angeordnet ist, dass beim Bestromen der Erregerspule (6) mit positiv gerichtetem Strom der Magnetfluss (14) der Erregerspule (6) sowie der Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) gemeinsam über den Permanentmagneten (1) und das Magnetgehäuse (8) fließen.
Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein Kupplungskörper (5) und Magnetgehäuse (8) derart angeordnet ist, dass bei unbestromter Erregerspule (6) der Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) im wesentlichen über die Pole (3) (4) und den Anker (2) fließt.
Elektromagnetisch öffnende Polreibungskupplung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft der Federeinrichtung (16) größer ist als die Magnetkraft erzeugt durch den Magnetfluss (13) des Permanentmagneten (1) bei geöffneter Kupplung zur Erzeugung von vier Schaltzuständen nämlich: – einen Ersten, unbestromten Zustand, bei dem die Federeinrichtung (16) den Anker (2) beabstandet zu den Polen (3) (4) hält, – einen Zweiten, bei negativ gerichteter Bestromung mit einem ausreichend dimensionierten Nennstrom I_N so bestrombar ist, dass der Luftspalt (19) überwunden wird, – einen Dritten, bei dem die Bestromung der Erregerspule (6) abgeschaltet ist und die Kraft des Permanentmagneten (1) den Anker an den Polen (3) (4) gegen die Kraft der Federeinrichtung (16) hält, und – einen Vierten, der bei kurzzeitig positiv gerichteter Bestromung der Erregerspule (6) entsteht, so dass der Anker (2) wieder von den Polen (3) (4) entgegen der Kraft des Permanentmagneten (1) und unterstützend durch die Kraft der Federeinrichtung (16) in seine Ruhestellung zurückgelangt.