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Die Erfindung betrifft eine magnetisch arbeitende Reluktanzbremse.
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Aus der Praxis sind Hybrid-Schrittmotoren mit diskretisierter Schritt-Auflösung bekannt. Um diese mit gröberer Schrittauflösung zu bremsen, sind mechanische Haltebremsen bekannt.
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Außerdem sind Bremsen bekannt, die nach dem Reluktanzprinzip arbeiten. Diese Bremsen benötigen immer eine Energieversorgung, um die Bremswirkung zu ermöglichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reluktanzbremse der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne Energiezufuhr ein Haltemoment erzeugt, welches durch Energiezufuhr abschaltbar ist.
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Da die wichtigste Anwendung dieser Reluktanzbremse das Abbremsen von Hybrid-Schrittmotoren ist, wird das Wirkprinzip des Hybrid-Schrittmotors erläutert. Zudem ist diese Reluktanzbremse vor allem in Einsatzbereichen, in welchen eine genaue Auflösung der Schritt-Position verlangt wird, von großer Bedeutung.
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Der Rotor beim Hybrid-Schrittmotor wird hierzu aus zwei weichmagnetischen und gezahnten Polschuhen und einem dazwischen liegenden Dauermagneten aufgebaut. Die Polschuhe sind – von der Mitte aus gesehen – gegeneinander um eine halbe Zahnbreite versetzt. Der Stator hat einzelne Statorzähne, wobei deren Zahnköpfe ebenso wie ein Rotorblech gezahnt ausgeführt sind. Um die Statorzähne sind Motorwicklungen platziert, welche entweder ein Halten oder ein Weiterschalten der Position ermöglichen.
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Der Hybrid-Schrittmotor besitzt den Nachteil, dass er keine Hohlwelle mit ausgeprägter Bohrung aufweist, so dass die Magneten, die das Halte- sowie das Stellmoment induzieren, deutlich im Volumen reduziert werden müssen. Damit wird das Erreichen einer bestimmten Momentendichte schwierig. Zudem ist die Optimierung dieses Motortyps sehr aufwendig, da durch die axiale Flussführung der magnetische Fluss dreidimensional berechnet werden muss.
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Als naheliegende Lösung der gestellten Aufgabe bietet sich an, den Permanentmagnet-Polfluss durch ein Gegenfeld zu kompensieren. Allerdings ist hierzu ein so großes Gegenfeld notwendig, dass keine ausreichende Momentendichte mehr realisiert werden kann.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Anordnung aus mindestens einem Stator und mindestens einem Rotor vorgeschlagen. Der mindestens eine Stator weist einen magnetischen Außenring auf, an dem innenseitig Permanentmagneten angeordnet und mit diesem magnetisch gekoppelt sind. Zwischen den Permanentmagneten und einem Rotor sind magnetische Spulen vorgesehen, die im unbestromten Zustand den magnetischen Fluss in den Rotor fließen lassen. Werden die Statorspulen mit einer bestimmten Stromhöhe bestromt, wird der Magnetfluss in den Außenring gedrückt. Dies ist wird dadurch erreicht, dass zum einen die Statorzähne entsprechend gesättigt werden, so dass der höhere magnetische Widerstand der Statorzähne einen günstigeren Flussweg in den Außenring bedingt. Zudem wird durch die Spulen-Magnetfluss-Orientierung ein Energieoptimum der Flussverteilung nur für diesen Flussweg ermöglicht.
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Das Haltemoment wird demnach bereits energieneutral erzeugt. Nur durch Bestromung der Wicklung wird die Bremswirkung ausgeschaltet. Je nach Ausführung kann die Bremse auch in fein diskretisierter Schritt-Auflösung oder auch in grober Auflösung sowie auch Fixposition bremsend ausgeführt werden.
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Damit wird der fein diskretisierte Zahnaufbau des Rotors sowie das Stators wie beim Schrittmotor erreicht. Allerdings sind die Magneten im Stator hinter Wicklungen platziert. Das hat auch besondere Vorteile in der Fertigung, da die Wicklung von oben durch vorgespulte Spulen eingelegt werden kann und nicht durch die Nutöffnung geträufelt oder als Durchzieherwicklung ausgeführt werden muss.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Statorspule im mindestens einen Stator vorgesehen. Dadurch wird eine optimale Feldsteuerung der Permanentmagneten erreicht. Außerdem lassen sich die Statorspulen in diesem Fall problemlos ohne Zuhilfenahme von Bürsten bestromen.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung des Erfindungsgegenstandes sind mindestens zwei Statoren vorgesehen, welche gegeneinander verdreht sind. Dabei ist der Drehwinkel, um den die Statoren gegeneinander verdreht sind, kleiner als der Winkel zwischen benachbarten Permanentmagneten. Vorzugsweise ist der Verdrehwinkel der Statoren gleich dem Winkel zwischen den benachbarten Permanentmagneten geteilt durch die Anzahl der Statoren. Bei zwei Statoren würden in diesem Fall diese um die Hälfte des Winkels zwischen den Permanentmagneten verdreht. Auf diese Weise ergibt sich eine Anordnung ähnlich zu einem Hybrid-Schrittmotor, der im Gegensatz zu diesem aber ein erhebliches, steuerbares Haltemoment aufweist. Dieser kann durch entsprechendes Bestromen der Statorspulen eine schrittweise Drehbewegung ausführen. Bei stromlosen Statorspulen wird die Drehposition des Rotors im Gegensatz zum herkömmlichen Schrittmotor jedoch mit einem vorgegebenen Haltemoment gehalten.
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Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Statorspule über mindestens einen Luftspalt mit dem mindestens einen Außenring gekoppelt ist. Durch diesen mindestens einen Luftspalt wird der magnetische Fluss der Permanentmagneten ohne Bestromung der mindestens einen Statorspule in den mindestens einen Rotor gedrängt, so dass auf diese Weise das gewünschte Haltemoment erzeugt wird. Die mindestens eine Statorspule muss daher zunächst den magnetischen Widerstand des mindestens einen Luftspalts überwinden, um den magnetischen Fluss in den mindestens einen Außenring zu drängen, wodurch dann die Haltewirkung der Permanentmagneten verloren geht.
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Der Erfindungsgegenstand wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, ohne den Schutzumfang zu beschränken.
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Die einzige Figur zeigt eine räumliche Explosionsdarstellung einer Reluktanzbremse 1. Diese weist einen Stator 2 und einen Rotor 3 auf.
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Der Rotor 3 besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Körper aus einem weichmagnetischen Material, welches außenseitig mit einer gut leitenden Schicht, insbesondere Kupfer, belegt ist. Zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 ist ein möglichst klein dimensionierter aber technisch notwendiger Luftspalt vorgesehen. Zur Diskretisierung der Bewegung des Rotors 3 ist dieser außenseitig mit einer Verzahnung versehen. Entsprechend ist der Stator 2 innenseitig mit einer entsprechenden Verzahnung versehen.
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Der Stator 2 weist einen Außenring 4 auf, der ebenfalls aus einem weichmagnetischen Material besteht. Dieser Außenring 4 bildet den magnetischen Pfad für den Fall, dass die Reluktanzbremse 1 inaktiv sein soll. Der Außenring 4 weist Bohrungen 5 auf, in die Haltestifte 6 eingesetzt sind. Diese Haltestifte 6 ragen in montierter Lage innenseitig über den Außenring 4 über und dringen klemmend in weichmagnetische Kerne 7 ein. Außerhalb jedes Kernes 7 ist dabei ein Permanentmagnet 8 vorgesehen, der ebenfalls mit den Haltestiften 6 gehalten ist. Die Anordnung ist dabei so gewählt, dass zwischen dem Permanentmagneten 8 und dem Außenring 4 ein kleiner Luftspalt gebildet ist. Dieser bildet einen magnetischen Widerstand, der den Permanentmagneten 8 vom Außenring 4 grundsätzlich entkoppelt. Um die Kerne 7 sind jeweils Wicklungen, insbesondere aus Kupferdraht, vorgesehen, die in der Figur zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit weggelassen sind. Diese Wicklungen werden vorzugsweise vor der Montage der Kerne 7 am Außenring 4 angebracht, wodurch die Herstellung der Wicklungen relativ einfach ist. Die Kerne 7 bilden mit den Wicklungen Statorspulen 7'.
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Zur exakten Einstellung des Luftspaltes zwischen dem Außenring 4 und den Permanentmagneten 8 ist innenseitig am Außenring 4 ein Abstandshalter 9 vorgesehen, der von einem nicht magnetischen Material, insbesondere einem Polymer, gebildet ist. Damit können die Kerne 7 mit ausreichender Kraft gegen den Außenring 4 gedrückt werden, ohne dass hierdurch ein magnetischer Kurzschluss mit dem Außenring 4 entstünde.
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Um den Stator zu einer festen Baueinheit zu machen, sind beidseits – in axialer Richtung betrachtet – Montageringe 10 vorgesehen, die mittels Schrauben 11 befestigt werden.
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Im Folgenden wird die Funktion der Reluktanzbremse 1 erläutert:
Aufgrund des Luftspaltes zwischen den Permanentmagneten 8 und dem Außenring 4 koppelt der magnetische Fluss der Permanentmagneten 8 mit dem Rotor 3. Hierzu ist keine Bestromung der Statorspulen 7' erforderlich. In dieser Betriebsart üben die Permanentmagneten 8 ein entsprechendes Haltemoment auf den Rotor 3 aus, so dass dieser im Falle einer entsprechenden Drehbewegung gebremst wird. Bei stehendem Rotor 3 verhindert dieses Haltemoment ein Verdrehen des Rotors 3. Damit wirkt die gesamte Vorrichtung als Bremse, ohne dass hierzu eine äußere Energiequelle benötigt wird.
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Werden die Statorspulen 7' bestromt, so wird der magnetische Fluss der Permanentmagneten 8 vom Rotor 3 verdrängt und gelangt über den Luftspalt in den Außenring 4. Dort ist der magnetische Fluss zwischen den einzelnen Permanentmagneten 8 kurzgeschlossen, so dass nahezu kein magnetischer Fluss mehr zum Rotor 3 gerät. Damit ist die Bremswirkung der Vorrichtung aufgehoben und der Rotor 3 kann frei laufen.
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Für jegliche Applikation, bei der der Rotor 3 meistens festgehalten werden muss, ergibt diese Reluktanzbremse 1 den Vorteil, dass nur sehr wenig Energie benötigt wird.
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Eine Bestromung der Statorspulen 7' ist nur für die Zeit der Bewegung des Rotors 3 erforderlich.
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Sind zwei Statoren 2 entsprechend der dargestellten Abbildung axial hintereinander angeordnet und gegeneinander auf Lücke gesetzt, so kann mit dieser erweiterten Reluktanzbremse 1 sogar ein Antrieb des Rotors 3 entsprechend einem Schrittmotor erfolgen. Hierzu werden die beiden Gruppen von Statorspulen 7' wechselweise bestromt, wodurch die Bremswirkung einmal vom einen Stator 2 und dann vom anderen Stator 2 erzeugt wird. Aufgrund der vorgesehenen Diskretisierung der Reluktanzbremse ergibt sich in Verbindung mit dem auf Lücke setzen der Statoren 2 der Effekt, dass beim Aktivieren des Stators 2 dieser den Rotor 3 um einen halben Schritt weiterdreht, so dass sich insgesamt die Wirkung eines Schrittmotors ergibt. Auch in diesem Fall wird bei fehlender Bestromung der Statorspulen 7' ein entsprechendes Haltemoment auf den Rotor 3 ausgeübt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reluktanzbremse
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Außenring
- 5
- Bohrung
- 6
- Haltestift
- 7
- Kern
- 7'
- Statorspule
- 8
- Permanentmagnet
- 9
- Abstandshalter
- 10
- Montagering
- 11
- Schraube
