-
Elektromagnetische
Bremsanordnung und Stromversorgung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine elektromagnetische Bremsanordnung, bei der eine Elektromagnetspule
bestromt werden kann, um einen Bremsmechanismus in einen lösbaren Eingriff
mit einer beweglichen Oberfläche
oder aus diesem heraus vorzuspannen, um ihre relative Bewegung zu
verhindern, und eine Stromversorgung zum Bestromen des Elektromagneten
mit einem Gleichstrom.
-
Es ist wohlbekannt, eine elektromagnetische
Bremsanordnung bereitzustellen, die folgendes umfasst: einen Bremsmechanismus,
wie etwa eine Reibungsplatte, der so montiert ist, dass er sich
zwischen einer ersten Position, in der er sich in einem bremsenden
Eingriff mit einer beweglichen Oberfläche befindet, und einer zweiten
Position, in der er sich nicht in einem bremsenden Eingriff mit
der beweglichen Oberfläche
befindet, bewegen kann, und mit einem Elektromagneten, der von einer
Gleichstromquelle bestromt werden kann, um den Bremsmechanismus
in die erste oder die zweite Position vorzuspannen. Eine derartige
Bremsanordnung wird in
US 5,148,467 beschrieben,
wo beschrieben ist, dass sie dazu verwendet wird, die Drehbewegung
einer Röntgengerätehalterung
zu sperren, um sie in einer gewünschten
willkürlichen
Position zu verriegeln. Die offenbarte elektromagnetische Bremsanordnung
umfasst einen Elektromagneten und einen damit zusammenwirkenden
Bremsmechanismus. Wenn der Elektromagnet zur Erzeugung einer Magnetkraft
bestromt wird, bewirkt diese Kraft, dass sich der Bremsmechanismus
zu der ersten Position bewegt, wo er gegen eine drehbare Scheibe
der Halterung drückt.
Wenn der Elektromagnet stromlos gemacht wird, führt eine Rückholfeder den Bremsmechanismus
in die zweite Position zurück,
was die Drehung der drehbaren Scheibe gestattet. Eine weitere magnetische
Bremsanordnung wird in
US 4,759,048 beschrieben,
wo sie wieder dazu verwendet wird, die Drehbewegung einer Röntgenge rätehalterung
zu sperren. Hierbei kann ein Elektromagnet bestromt werden, so dass
er einen Bremsmechanismus anzieht, um zu bewirken, dass er sich
in die zweite Position bewegt, in der eine drehbare Scheibe entsperrt
wird. Wenn der Elektromagnet stromlos gemacht wird, wird der Bremsmechanismus
unter dem Einfluss einer Rückholfeder
in die erste Position gedrückt,
wo er die Scheibe in Eingriff nimmt und ihre Drehbewegung sperrt.
Bei beiden oben beschriebenen Konfigurationen einer elektromagnetischen
Bremsanordnung muss die Rückholfeder
so stark ausgeführt
werden, dass sie dem oftmals erheblichen Restmagnetismus entgegenwirken
kann, der im Elektromagneten nach seinem Abschalten zurückbleibt. Dies
führt leider
zu der Notwendigkeit eines relativ stärkeren Elektromagneten, der
eine Magnetkraft erzeugt, die ausreicht, um zusätzlich der Federkraft entgegenzuwirken,
ehe bewirkt werden kann, dass sich der Bremsmechanismus bewegt.
-
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht
in der Bereitstellung einer elektromagnetischen Bremsanordnung,
bei der der Effekt des Restmagnetismus reduziert werden kann.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird eine elektromagnetische Bremsanordnung bereitgestellt,
wie sie im vorliegenden Anspruch 1 beschrieben und gekennzeichnet
wird. Indem eine Stromversorgung so konfiguriert wird, dass sie
beim Abschalten des Gleichstroms einen Wechselstromfluss durch den
Elektromagneten mit einer allmählich
abnehmenden Amplitudenkennlinie bereitstellt, wird ein etwaiger
Restmagnetismus im Elektromagneten mit der abnehmenden Amplitude
allmählich
reduziert.
-
Die Gleichstromversorgung kann zusätzlich eine
getrennte Wechselstromquelle, die dafür ausgelegt ist, den Wechselstrom
mit der gewünschten
Kennlinie zu erzeugen, und eine Schaltanordnung enthalten, die betätigt werden
kann, um selektiv die Gleichstromquelle oder die Wechselstromquelle
unter Aus schluss der jeweils anderen mit dem Elektromagneten zu
verbinden.
-
Die Stromquelle kann als Alternative
zur Wechselstromquelle einfach einen Kondensator enthalten, der
parallel mit der Gleichstromquelle verbunden werden kann und eine
Kapazität
aufweist, die so ausgewählt ist,
dass sie den Wechselstrom mit der gewünschten Kennlinie bereitstellt.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird eine Elektromagnetstromversorgung bereitgestellt,
die so konfiguriert ist, dass sie einen Wechselstrom mit einer allmählich abnehmenden
Amplitudenkennlinie durch einen angeschlossenen Elektromagneten
fließen
lässt,
wenn ein ebenfalls von der Stromquelle bereitgestellter bestromender
Gleichstromfluss abgeschaltet wird.
-
Es werden nun unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen der beiliegenden Figuren beispielhafte Ausführungsformen
einer elektromagnetischen Bremsanordnung und einer Stromversorgung
zur Verwendung mit der Anordnung beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine
elektromagnetische Bremsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
und
-
2 eine
Stromversorgung, die für
die in der Anordnung von 1 offenbarte
substituiert werden kann.
-
Nunmehr unter Berücksichtigung der in 1 dargestellten elektromagnetischen
Bremsanordnung 2 weist bei der vorliegenden Ausführungsform
ein Bremsmechanismus einen Bremsschuh 4 auf, der mindestens teilweise
aus einem ferromagnetischen Material besteht. Der Bremsschuh 4 ist
so befestigt, dass er sich umkehrbar in den durch den Pfeil gezeigten
Richtungen bewegen kann, und zwar zwischen einer allgemein mit (a)
bezeichneten ersten Position, in der sich der Schuh 4 im
Reibungseingriff mit einer beweglichen Oberfläche 6 befindet, um seine
weitere Bewegung zu sperren, und einer allgemein mit (b) bezeichneten
zweiten Position, in der er sich außerhalb des Eingriffs mit der
Oberfläche 6 befindet.
Ein Elektromagnet 8 mit einer Magnetspule 10 und
einem ferromagnetischen Kern 12 ist relativ zum Bremsschuh 4 angeordnet,
so dass bei Zufuhr eines Gleichstroms zu der Spule 10 eine
Magnetkraft erzeugt wird, die den Schuh 4 in die erste
Position (a) vorspannt. Eine Rückholfeder 14 kann
als Teil des Bremsmechanismus bereitgestellt sein, wie in der vorliegenden Ausführungsform
dargestellt, die allgemein dahingehend wirkt, den Bremsschuh 4 bei
Abschalten des Gleichstroms in die zweite Position (b) zurückzuführen.
-
Der Fachmann versteht, dass bei der
elektromagnetischen Bremsanordnung 2 der vorliegenden Erfindung
andere Arten bekannter Bremsmechanismen eingesetzt werden können. Beispielsweise
können
der Elektromagnet 8 oder Elemente davon zusätzlich oder
alternativ so beweglich montiert werden, dass sie die Oberfläche 6 in
Eingriff nehmen oder sich von dieser lösen, wenn die Spule 10 entweder
bestromt oder stromlos gemacht wird. Zudem kann der Elektromagnet 8 beispielsweise
in die erste Position bewegt werden, um die Oberfläche 6 gegen
eine gegenüberliegende
Oberfläche
des Bremsmechanismus zu klemmen, wie sie beispielsweise durch den
beweglichen Bremsschuh 4 oder durch eine den Bremsschuh 4 ersetzende
feste Backe gebildet werden kann.
-
Die elektromagnetische Bremsanordnung 2 umfasst
weiterhin eine Stromversorgung 16 mit Ausgängen 18,
die mit Eingängen 20 der
Magnetspule 10 verbunden werden können. Die Stromversorgung 16 umfasst
eine Gleichstromquelle 22, die zum Bestromen der Magnetspule 10 des
Elektromagneten 8 mit den Ausgängen 18 verbunden
werden kann, und eine Wechselstromquelle 24, die ebenfalls
mit den Ausgängen 18 verbunden
werden kann, um einen Wechselstromfluss durch die Magnetspule 10 bereitzustellen,
der positiv und negativ werdende Teile mit allmählich abnehmenden Amplituden
aufweist. Ein Fachmann kann ohne weiteres eine derartige Wechselstromquelle 24 aufbauen,
wenn er herkömmliche
elektrische Komponenten verwendet und die gewünschte Stromwellenformkennlinie
des Ausgangs der Wechselstromquelle 24 kennt. Derartige Kennlinien
werden unter Bezugnahme auf die Stromversorgung von 2 unten näher erläutert und können beispielsweise durch eine
Rechteckwelle, eine Sägezahnwelle
(Dreieckwelle) oder eine sinusförmige
Wellenform realisiert werden.
-
Als Teil der Stromversorgung 16 ist
außerdem
eine Schaltanordnung 26 bereitgestellt, die hier mit zwei leitenden
Zuständen
konfiguriert ist. Im ersten leitenden Zustand stellt die Schaltanordnung 26 einen
leitenden Weg bereit, der die Gleichstromquelle 22 unter
Ausschluss der Wechselstromquelle 24 mit den Ausgängen 18 verbindet.
Im zweiten (dargestellten) leitenden Zustand stellt die Schaltanordnung 26 einen
leitenden Weg bereit, der die Wechselstromquelle 24 unter
Ausschluss der Gleichstromquelle 22 mit den Ausgängen 18 verbindet.
Das Umschalten vom ersten zum zweiten leitenden Zustand kann automatisch
erfolgen, beispielsweise als Reaktion darauf, dass ein Benutzer
der Stromversorgung 16 seinen Wunsch mitteilt, die Bewegung
der Oberfläche 6 zu
entsperren, und kann auch für
einen vorbestimmten Zeitraum erfolgen, damit zum Entfernen eines
etwaigen Restmagnetismus eine ausreichende Anzahl von Wechselstromperioden
durch die Magnetspule 10 fließen können. Es versteht sich, dass
andere Schaltanordnungen für
die oben beschriebene Schaltanordnung 26 substituiert werden
können,
vorausgesetzt, sie schalten die mit den Ausgängen 18 verbundene Stromquelle
auf gegenseitig ausschließende
Weise zwischen der Gleichstromquelle 22 und der Wechselstromquelle 24 um.
-
Wenn im vorliegenden Beispiel die
Schaltanordnung 26 vom ersten in den zweiten leitenden
Zustand umgeschaltet wird, wird der Gleichstromfluss von der Gleichstromquelle 22 zur
Magnetspule 10 unterbrochen. Auf Grund von Hystereseeffekten
in dem ferromagnetischen Material, aus dem der Kern 12 des
Elektro magneten 8 besteht, existiert jedoch ein Restmagnetismus,
der im vorliegenden Beispiel allgemein den Bremsschuh 4 im
Reibungseingriff mit der beweglichen Oberfläche 6 hält. Die
Federkraft der Rückholfeder 14 wirkt bei
elektromagnetischen Bremsanordnungen des Stands der Technik dieser
durch diesen Restmagnetismus erzeugten Magnetkraft entgegen.
-
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung stellt die Ankopplung der Wechselstromquelle 24 an
die Magnetspule 10, wenn sich die Schaltanordnung im zweiten
leitenden Zustand befindet, einen Wechselstromfluss durch die Spule 10 bereit,
der wegen seiner gewählten
Wellenformkennlinie mit jeder Reduzierung der Amplitude der positiv
und negativ werdenden Periode allgemein den Restmagnetismus reduziert.
-
Eine Stromversorgung 28,
die eine Alternative zu der Ausführungsform
von 1 darstellt, ist
in 2 schematisch veranschaulicht.
Der Fachmann versteht, dass der Elektromagnet 8 elektrisch
durch eine Induktanz 30 der Größe L (gemessen bei voller Bestromung
des Elektromagneten 8) und einen Reihenwiderstand 32 der
Größe R dargestellt
werden kann, wie in 2 gezeigt
ist. Der Widerstand R umfasst eine Reihenschaltung aus einem Wicklungswiderstand
(RW) und einem Äquivalenzwiderstand (RH) aufgrund der Hysterese.
-
Die Stromversorgung 28 umfasst
eine Gleichstromquelle 34, die eine Spannung V erzeugen
kann, und eine Schaltanordnung 36, die elektrisch in Reihe
zwischen die Gleichstromquelle 34 und Ausgänge 38 der Stromversorgung 28 geschaltet
ist. Die Schaltanordnung 36 ist so konfiguriert, dass sie
umkehrbar zwischen einem leitenden Zustand, in dem die Gleichstromquelle 34 an
die Ausgänge 38 gekoppelt
ist, und einem dargestellten nichtleitenden Zustand, in dem der
Stromfluss von der Gleichstromquelle 34 zum Elektromagneten 8 unterbrochen
ist, umgeschaltet werden kann. Es versteht sich, dass andere Schaltanordnungen
für die
beschriebene substituiert werden können, vorausgesetzt, sie unterbrechen
die Zufuhr eines Gleichstroms von der Stromquelle 28 zum
Elektromagneten 8.
-
Ein kapazitives Element 40,
das ein oder mehrere Kondensatoren umfassen kann und das veranlasst werden
kann, eine auswählbare
variable Kapazität
bereitzustellen, die eine Kapazität der Größe C darstellt, ist ebenfalls
als Teil der Stromversorgung 28 enthalten. Dieses Element 40 ist
elektrisch parallel zur Gleichstromquelle 34 an die Ausgänge 38 angeschlossen,
um einen leitenden Weg für
durch den Elektromagneten 8 fließenden Strom nach der Aktivierung
der Schaltanordnung 36 zum Unterbrechen der Zufuhr des
Gleichstroms bereitzustellen.
-
Wenn sich die Schaltanordnung in
ihrem leitenden Zustand befindet, wird somit Strom von der Gleichstromquelle 34 dem
Elektromagneten 8 zugeführt
und das kapazitive Element 40 effektiv umgangen. Wenn die Schaltanordnung 36 von
diesem leitenden Zustand umgeschaltet wird, wird der Stromfluss
von der Gleichstromquelle 34 durch den Elektromagneten 8 unterbrochen.
Wegen der in der Induktanz 30 gespeicherten Energie des
Magnetfeldes jedoch wird der Strom gezwungen, durch das kapazitive
Element 40 zu fließen,
wobei er es so lange auflädt,
bis seine gespeicherte Energie gleich der anfänglichen induktiven Energie
ist (minus Widerstandverluste im Widerstand 32). An diesem
Punkt ändert
der Strom seine Richtung, und ein Wechselstrom mit abnehmender Amplitudenkennlinie
wird erzeugt, der durch die Magnetspule 10 des Elektromagneten 8 fließt. Die
Wellenformkennlinie dieser abklingenden Wechselstromkennlinie kann
mit der wohlbekannten Theorie des gedämpften LCR-Schwingkreises gemäß der untenstehenden
Gleichung (2) vorhergesagt werden. Wie unten beschrieben kann durch
Anpassen der Größe C des
Elements 40 an die Größen L, R
der Elektromagnetinduktanz 30 und des Widerstandswerts 32 erreicht
werden, dass dieser Wechselstrom eine entsprechend abklingende Amplitudenkennlinie
aufweist, damit eine schnelle Reduzierung des Restmagnetismus des
Elektromagneten 8 bewirkt wird.
-
Wenn sich die Schaltanordnung
36 in
ihrem leitenden Zustand befindet, fließt durch die Wicklungen der
Magnetspule
10 des Elektromagneten
8 nach Bestimmung
durch Gleichung (1) ein Gleichstrom der Größe I, wobei:
-
Wenn die Schaltanordnung
36 in
ihren nichtleitenden Zustand umgeschaltet wird, fließt weiter
ein Strom I(t) durch das kapazitive Element
40 und die
Spule
10 mit einer von der Zeit t abhängigen abklingenden Schwingung,
die beschrieben wird durch:
wobei
I(0) die Größe des Stroms
I zum Zeitpunkt t = 0 ist (das heißt zum Zeitpunkt, zu dem der
Gleichstrom abgeschaltet wird);
τ ist die sogenannte "Zeitkonstante"
des durch die Stromversorgung
28 und den Elektromagneten
8 dargestellten
LCR-Kreises.
-
Hierbei ist ω definiert durch
-
-
Solange der Ausdruck unter der Quadratwurzel
von Gleichung (5) positiv ist, klingen die Schwingungen des Stroms
ab. Bei Verwendung von Gleichung (5) und beispielsweise in Kenntnis
der Werte für
R und L kann dann so ein geeigneter Wert von C bestimmt werde, um
sicherzustellen, dass ein Wert für ω (somit
aus Gleichung (3) die Frequenz des Stroms) erhalten wird, der innerhalb
eines geeigneten Intervalls liegt. Es versteht sich, dass Gleichung
(5) beispielsweise auch zur Auslegung einer elektromagnetischen
Bremsanordnung mit entsprechend angepassten Größen von L, R und C verwendet
werden kann, wobei wohlbekannte Schaltungstechniken verwendet werden.
-
Der Wert für ω sollte so niedrig liegen,
dass die induzierten Wirbelströme
im ferromagnetischen Kern ("Skineffekt") nicht verhindern, dass
das entmagnetisierende Feld in das Volumen des Materials eindringt.
-
Es versteht sich, dass ein Übergangszustand
des Magnetfeldes in einem elektrisch leitenden Material Wirbelströme induziert,
die im allgemeinen das Innere des Materials gegenüber dem
Feld abschirmen. Die Wirbelströme
klingen ab, und das Feld dringt nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung in
das Volumen ein.
-
Im Fall eines Wechselstromfelds kann
man eine "Eindringtiefe" d in das Material ableiten und definieren,
wobei die Amplitude des Felds an der Oberfläche des Materials gemäß folgender
Gleichung auf 1/e seiner Amplitude abgenommen hat:
wobei ρ der spezifische elektrische
Widerstand; μ die
Permeabilität
des Materials und μ
0 die Permeabilität im freien Raum ist und die
Frequenz des Wechselstroms somit ausgedrückt werden kann als:
-
Bei einer gegebenen Dicke d
o einer leitenden Struktur ist es somit erforderlich,
dass
damit das Feld in das Material
eindringen kann.
-
Unter Verwendung von Gleichung (3)
gilt dann:
-
Falls jedoch ω zu niedrig ist, kommt es in
dem Abklingprozess zu zu wenigen Schwingungen, und die Entmagnetisierung
wird nicht abgeschlossen.
-
Durch Anpassen des Aufbaus des Elektromagneten 8 und/oder
der Stromversorgung 28 kann man dann jeweils Werte L, C,
R der Induktanz 30, des Widerstands 32 und des
kapazitiven Elements 40 so auswählen, dass man aus der obigen
Gleichung (5) einen Wert von ω erhält, der
die Bedingung der obigen Gleichung (9) erfüllt.
-
Man erinnere sich daran, dass L von
der Anzahl der Windungen in der Magnetspule 10 und R sowohl von
der Anzahl der Windungen als auch dem Durchmesser des Kupferdrahts
der Spule 10 abhängt.
Somit können
L und R variiert und der Wert C des kapazitiven Elements 40 entsprechend
gewählt
werden.
-
Wenn die Gleichung (5) für typische
Konstruktionen von Elektromagneten verwendet wird, kann man ohne
weiteres zeigen, dass ein Wert von C zwischen in der Regel 10–100 μf geeignet
ist. Dies kann man leicht unter Verwendung bekannter Kondensatoren,
beispielsweise auf Polyesterbasis, erhalten.
-
Das kapazitive Element 40 kann
zweckmäßigerweise
mit einer veränderlichen
Kapazität
C hergestellt werden, so dass die gleiche Stromversorgung 28 mit
Elektromagneten 8 verwendet werden kann, die verschiedene
Kennlinien aufweisen und unterschiedlich aufgebaut sind (Werte für L und
R).
-
Je nach beispielsweise der Auslegung
des Elektromagneten 8, der Größe des Kerns 12 und
Eigenschaften des den Kern 12 bildenden ferromagnetischen
Materials erfordert die Bedingung im Gleichung (9) in einigen Fällen einen
sehr niedrigen Wert für ω. Dies kann
dazu führen,
dass vor dem Abklingen des Stroms zu wenige Schwingungen stattfinden
(nach Berechnung anhand der obigen Gleichung (2), mit der Folge,
dass die Entmagnetisierung nicht abgeschlossen wird.
-
Eine Möglichkeit, dies zu umgehen,
besteht in der Verwendung eines herkömmlichen laminierten Aufbaus
des Kerns 12, bei dem die dünnen Schichten elektrisch voneinander
isoliert sind. Durch diese Maßnahme nimmt
do ab, weshalb ein höherer Wert für ω zulässig ist
(siehe Gleichung [9]).
-
Wenn die Stromversorgung 16,
wie in 1 dargestellt,
eine Wechselstromquelle 24 enthält, kann man die Quelle 40 so
konstruieren, dass sie eine Wechselstromausgabe mit einstellbarer
Frequenz liefert, die dann so eingestellt werden kann, dass die
Bedingung von Gleichung (9) unabhängig von den Materialien und Abmessungen
für alle
Designs des Elektromagneten 8 erfüllt ist (ein laminiertes Design
ist niemals erforderlich).
