DE19855517A1

DE19855517A1 - An oder in einem Motorgehäuse angeordnete magnetostriktive Bremse zum Abbremsen der Motorwelle, insbesondere von Elektromotoren

Info

Publication number: DE19855517A1
Application number: DE1998155517
Authority: DE
Inventors: Joachim Steffan
Original assignee: STEFFAN RONALD
Current assignee: STEFFAN RONALD
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2000-06-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine schaltbare magnetostriktive Bremse, die aus einer Spule, magnetostriktivem Material und zusätzlichen mechanischen Bauteilen besteht und geeignet ist, an oder in Elektromotoren eingesetzt zu werden, um die Motorwelle bei Stillstand oder Lauf zu bremsen. Die Bremse kann parallel zur Stromversorgung des Motors mit der jeweils vorliegenden Speisespannung, wirksam als Bremse im Stillstand arbeiten oder durch eine separate Stromversorgung bei Motorbetrieb, angesteuert werden. Um die notwendige Bremskraft zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Längs- bzw. Querkontraktion von magnetostriktivem Material im Magnetfeld durch spezielle Anordnung bzw. zusätzliche Elemente für die Erzeugung oder Aufhebung eines Haltemomentes genutzt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine schaltbare Bremse, die zur Erzeugung der Bremskraft durch Reibschluss ein Bauteil aus magnetostriktivem Material, vorzugs weise einer Seltenerd-Verbindung, aufweist, dass direkt oder indirekt über wegver längernde oder kraftverstärkende Zwischenelemente auf eine Motorwelle eines Elektromotors wirkt. Die Bremse kann am Motorgehäuse des Elektromotors ange ordnet oder im Gehäuse integriert sein und kann je nach Schliessart der Bremse durch den Versorgungsstrom für den Motor als auch mittels einer separaten Strom versorgung gesteuert werden.

Speziell Glocken- oder Hohlläufermotoren mit Permanentmagnet die über einen Rotor mit einer selbstragenden Wicklung ohne Eisenjoch verfügen, weisen im Still stand (stromlos) kein Rast- oder Haltemoment auf, was bei Anwendungsfällen, bei denen eine unbewegte Last in einer Position fixiert werden soll, sich als nachteilig erweist. Bekannt sind in Einzelfällen zur Behebung des Problems vor allem bei klei nen Motoren dafür eingesetzte permanent wirkende Reibbremsen z. B. mit einer Fe der, die aber funktionsbedingte Nachteile, wie zusätzliche Motorbelastung, nicht de finierbarer Verschleiss, stärke Erwärmung u.ä. aufweisen, so dass die Forderung nach einer schaltbaren Bremse besteht.

Durch Strom schaltbare Bremsen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Elek tromagnetische Bremsen verfügen üblicherweise über einen ortsfesten Magnetkör per mit Erregerwicklung, Polschuhe und einen beweglichen Anker sowie Zusatzele mente wie z. B. Federn. Im Anwendungsfall als öffnende Bremse mit einer Feder zur Erzeugung einer Bremswirkung bei stromlosem Motor lässt sich die Funktionsweise wie folgt beschreiben: Der Magnetkörper der Federdruckbremse enthält die fest ein gebaute Erregerwicklung und ist mit einem Zwischenring und dem Flansch mit Scheibe durch Schrauben verbunden. Die Feder drückt über den Anker den auf dem Mitnehmer geführten Reibring gegen den Flansch. Dadurch wird die Bremswirkung erzeugt. Beim Einschalten der Erregerwicklung zieht der Magnetkörper den Anker gegen die Federkraft der Druckfeder an. Der Reibring wird freigegeben und die Bremswirkung aufgehoben. Durch eine Abdeckhaube und den Labyrinthring wird das Innere der Bremse gegen Staub geschützt.

Als nachteilig erweist sich bei solchen elektromagnetischen Bremsen jedoch, dass zur Gewährleistung eines erforderliche Bremsmomentes die Baugrösse solcher Bremse grösser Durchmesser 25 mm ist, d. h. dass für kleinere Motoren entspre chend kleine Bremse nicht bekannt sind, und die Herstellung nicht sehr kostengün stig ist. Nachteilig ist auch, dass der bewegliche Anker geführt werden muss und die Erzeugung der Bremswirkung im stromlosen Zustand durch ein Zusatzelement her beigeführt werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine schaltbare Bremse der eingangs erwähnten Art, derart weiterzuentwickeln, dass einerseits eine kostengünstig herstellbare, in ihren Abmessungen kleine Bremse entwickelt wird, die die vorgangs erwähnten Nachteile nicht aufweist und die durch den Motorstrom oder durch eine separate Stromquelle angesteuert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein magnetostriktives Element gelöst, das direkt oder indirekt über Zusatzelemente auf die Motorwelle eine Kraft ausübt und den für die Bremsung erforderlichen Reibschluss löst oder erzeugt. Die Wirkungs weise des magnetostriktiven Materials lässt sich wie folgt beschreiben: Die Krafter zeugung erfolgt durch die Nutzung des inversen magnetostriktiven Effektes, d. h., Nutzung der Formänderung ferromagnetischer Kristalle im Magnetfeld. Dieses elek tromagnetische Äquivalent des besser bekannten Piezoeffektes tritt bei bestimmten Materialien, z. B. den sogenannte Seltenerd-Eisenverbindungen wie Terfenol-D etc., auf. Diese Materialien erfahren eine Längenänderung, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Die erreichbaren relativen Änderungen liegen bei ca. 0.2% (d. h. für Terfenol-D ca. 1.8 µm/mm). Solche auch als Aktoren bezeichnete Elemente zeichnen sich durch hohe Stellgenauigkeit, Stellgeschwindigkeit und vor allem auch durch grosse erzeugbare Stellkräfte im Bereich von einigen kN aus.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein wie folgt aufgebaute Bremse gelöst:
Eine feststehende Spule die am Motorgehäuse befestigt oder im Gehäuse integriert ist und die elektrisch mit den Motorterminals verbunden ist, erzeugt ein Magnetfeld, das in das magnetostriktive Material eingeleitet wird, zu einer Längenänderung oder Ausdehnung führt, d. h. durch Lösen des Reibschlusses zur Motorwelle erfolgt das Öffnen der Bremse. Bei Abschalten oder Unterbruch des Stroms nimmt das magne tostriktives Material seine Ursprungsform an und übt direkt oder indirekt über Zwi schenelemente ein wirksames Haltemoment auf die Motorwelle aus.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Stromversorgung auch separat erfolgen und durch eine entsprechende Ansteuerung, d. h. ein getaktetes Abbremsen des Motors, ein hochfrequenter Schrittantrieb für eine genaue Positio nierung daraus entwickelt werden.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäss ein Elektromotor mit einer magnetostriktiven Bremse gemäss zumindest einem der Ansprüche 1-9 beansprucht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von 3 Ausführungsbeispielen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemässe Bremse mit magnetostriktivem Element im Schnitt und in der Draufsicht

Fig. 2 die erfindungsgemässe Bremse mit magnetostriktivem Element und als Joch wirkendem Zusatzelement im Schnitt und in der Draufsicht

Fig. 3 die erfindungsgemässe Bremse mit magnetostriktivem Element und einem momentverstärkenden Zusatzelement auf der Motorwelle im Schnitt und in der Draufsicht

Fig. 4 ein Anbaubeispiel der erfindungsgemässen Bremse an das Gehäuse eines Elektromotors

Fig. 1 zeigt eine Form der erfindungsgemässen Bremse im Schnitt und einer Drauf sicht. Die Bremse besteht aus einem z. B. an einem Motor befestigten Gehäuse (1), das eine Spule (2), durch die ein Magnetfeld erzeugt wird, drehsicher aufnimmt, in der eine Trägerplatte (4) und ein aus magnetostriktivem Material bestehendes Ele ment (3) verdrehsicher angeordnet sind. Das magnetostriktive Element (3) weist eine Bohrung auf, die z. B. dadurch gekennzeichnet ist, dass sie kleiner ist als der Durchmesser der Welle (5).

Fig. 2 zeigt eine weitere mögliche Form der erfindungsgemässen Bremse im Schnitt und einer Draufsicht. Die Bremse besteht aus einem z. B. an einem Motor befestigten Gehäuse (1), das eine Spule (2), durch die ein Magnetfeld erzeugt wird, drehsicher aufnimmt, in der eine geschlitztes Joch (4) und ein aus magnetostriktivem Material bestehendes Element (3) verdrehsicher angeordnet sind. Das geschlitzte Joch (4) weist eine Bohrung auf, die z. B. dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein nur sehr geringes Spiel zum Durchmesser der Welle (5) aufweist.

Fig. 3 zeigt eine weitere Form der erfindungsgemässen Bremse im Schnitt und einer Draufsicht. Die Bremse besteht aus einem z. B. an einem Motor befestigten Gehäuse (1), das eine Spule (2) drehsicher aufnimmt, in der eine Joch (4) und aus magneto striktivem Material bestehende Elemente (3) verdrehsicher angeordnet sind. Die magnetostriktiven Elemente (3) wirken unter Einfluss des durch die Spule (2) er zeugten Magnetfeldes über einen Ring (6), der fest auf einer Welle (5) befestigt ist.

In Fig. 4 ist ein Anbaubeispiel einer erfindungsgemässen magnetostriktiven Bremse aus einem Motor (8) und Fig. 2 schematisch dargestellt. Der Anbau der Bremse, bestehend aus den in Fig. 2 beschriebenen Elementen (1, 2, 3, 4) erfolgt z. B. mittels Schrauben (6) an einem Elektromotor (8) genau so, dass die Spule (2) mit den Ter minals (7) des Motors (8) eine elektrische Verbindung erhält. Beim Befestigen der Bremse wird durch entsprechende Massnahmen sichergestellt, dass ein Aufschie ben über die Welle (5) und eine zentrische Lage der Bremse zur Welle sichergestellt ist.

Nachfolgend wird der Vorteil der Wirkung und Funktionsweise der Erfindung näher erläutert.

Gegenüber herkömmlichen schaltbaren elektrischen Bremsen kann bei der erfin dungsgemässen Bremse eine kleinere Bauform für relativ hohe Haltemomente er stellt werden. Dadurch, dass die Haltekräfte im stromlosen Zustand des Motors durch Klemmung des magnetostriktiven Elementes direkt oder indirekt auf die Mo torwelle übertragen werden, sind keine zusätzlichen krafterzeugenden Teile und kein beweglich geführtes Teil erforderlich. Gleichfalls ist es möglich durch geeignete Anordnung oder zusätzliche Elemente eine ausreichend hohes Haltemoment zu er zeugen.

Claims

1. Eine Bremse bestehend aus einer feststehenden Spule (2) im Gehäuse (1) und magnetostriktiven Bauteilen (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein magneto striktives Bauteil (3) verdrehsicher, mit einer Bohrung kleiner als der Wellen durchmesser, radial um die Motorwelle (5) angeordnet ist.

2. Eine Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein magneto striktives Bauteil, verdrehsicher in einem Joch um eine geschlitzte Hülse (4), ra dial angeordnet ist.

3. Eine Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere magne tostriktives Bauteile (3) verdrehsicher und reibschlüssig um einen auf einer Mo torwelle (5) verdrehsicher angebrachten Ring (6) radial angeordnet sind.

4. Eine Bremse nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) direkt an die Terminals (7) der Stromversorgung des gebremsten Motors angeschlossen ist.

5. Eine Bremse nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse bei Abschalten oder Ausfall der Stromversorgung schliesst.

6. Eine Bremse nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längs- und Querkontraktion von magnetostriktivem Material (3) im Magnetfeld durch spezielle Anordnung oder indirekt über Zusatzteile (6) zur Erzeugung einer radialen Kraftwirkung und damit einem Haltemoment genutzt wird.

7. Eine Bremse nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung auch separat erfolgen kann und damit eine getaktete Ansteue rung der Wellenrotation erfolgen kann, was Schrittbetrieb und damit eine genaue Positionierung möglich macht.

8. Eine Bremse nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente in einem Motorgehäuse angeordnet und nach vorangegangenen An sprüchen genutzt werden können.

9. Elektromotor, gekennzeichnet durch den An- oder Einbau einer Bremse nach den vorangegangenen Ansprüchen.