DE3609404A1 - Elektromagnetkupplungen bzw. -bremsen mit elektrisch veraenderbarer haltekraft - Google Patents

Description

• Elektromagnetkupplungen bzv. -bremsen mit
• elektrisch veränderbarer Haltekraft Die Erfindung betrifft Elektromagnetkupplungen bzw.
• -bremsen nach dem Oberbecriff des Anspruches 1.
• Es ist z. B. aus SIEFSENS-Katalog KB 1982 Fig. 8/7 bekannt, die Haltekraft von Magnetkupplungen dadurch verAnderbar zu machen, daB eine Kombination des Elektromagreten mit einem Dauermacneten mit Umkehrpolungsmöglichkeit gewählt wird. So kann eine Unterstützung der Haltekraft des Dauermagneten während kurzzeitiver Spitzenbelastungen erreicht werden. Diese Kupplunaer. haben jedoch bisher keine Möglichkeit geboten, daB ohne besondere Vorkehrunger. mechanischer Art, wie Indexiervorrichtung oder dergleichen, sowohl der Offrur.gs- als auch der SchlieBzust2rd bei Stromunterbrechur.g sch upffrei exakt beibehalten und somit eir.e unbeabsichtigte 5'eränderung des Schaltzustandes bzw. der Relativstellung der Kupplungshälften zueinander vermieden werden konnte. Ein Zustar.dswechse', z. B. eir Stromausfall, führte in aller Reael auch zur Veranderura der Lage der Ankerscheibe bzw. zu einem Drehwinkelversatz der beiden Weller.
• Bei vielen Werkzeugmaschinen, Handhabungsgeräten und Textilmaschinen gibt es jedoch Fälle, z. B. an Webmaschinen, die gleichzeitig sowohl Frottier- als auch Flachgewebe aufweisende Muster herstellen, wo die Haltekraft von Elektromagnetkupplungen zwar veränderbar sein muß, dennoch aber unter keinen Umständen ein Drehwinkelversatz bei Stromunterbrechung bzw. Maschinenabschaltung entstehen darf. Auch bei Verwendur.c von Zahnkupplungen dürfen Drehwinkelversa.ze in der Regel nicht entstehen, de. immer "Zahn auf Lücke" stehenbleiben muß.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, die en sich bekannten Kupplungen bzw. Bremsen der Gattung dahingehend zu verbessern, daß die jeweiligen Schaltzustände der verwendeten Mitnahmeverbindungen (Ankerscheibe in Anlage oder außer Anlage) durch einfache Stromunterbrechungen allein nicht veränderbar und erst durch spezielle Schaltmaßnahrnen elektrischer Art aus- bzw. einschaltbar sind.
• Die Lösuna besteht gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 insbesondere darin, - daß die das Kräftegleichgewicht der Kupplung bestimmenden Konstruktionselemente, wie Dauermagnet, Spulenkörper, Luftspalte bzw. Schaltwege, Durchflutungsauerschnitte, Rückholfeaer usw., eine derartige anordnunas- und dimensionsmäßige sowie elektrische bzw. magnetische Feinabstimmung zueinander erhalten, daß im stromlosen Zustand bei geschlossenem Luftspalt der Dauermagnet und bei geöffnetem Luftspalt die Pückholfeder allein immer noch die Position der Ankerscheibe fixieren, - und daß eine elektrische Schaltvorriflhtung derart vorgesehen ist, daß eine Veränderung und/der Beibehaltung der Ankerscheibenposition sowohl aus bzw. in der Offnungs- als auch aus bzw. in fer Schließstellung durch spezielle Schaltimpulse bzw. Stromrichtungsurnkehrungen wählbar ist.
• Hiermit ist es nun möglich, z. B. Webmaschinen zu bauen, bei denen keine manuelle Neujustage aller Einzelantriebe nach Stromausfällen bzw. Produktionspausen mehr erforderlich ist, ehe neu gestartet werden kann. Bei Werkzeugmaschinen kann die Relativstellung des Hauptantriebes zu den Vorschüben stets sofort beibehalten bleiben. Handhabungsgeräte können ihre begcnnen Bewegungen ohne Neubeginn unmittelbar weiter fortsetzen.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• - Nach Anspruch 2 wird erreicht, daß nur eine an sich bekannte Umpolungseinrichtung zur Schaltstellungsveränderung ausreicht, und die Kupplung auch während den eigentlichen Arbeitsleistungsstellungen stromlos bleiben kann.
• - Nach Anspruch 3 wird eine elektrische Veränderbarkeit der Uberlastbarkeitsgrenzen einer Kupplung z. B. für Sicherheitszwecke bzw. wechselnde Einsatzbedürfnisse geschaffen.
• - Nach Anspruch 4 wird erreicht, daß nun auch Zahnkupplungen ohne Gefahr von Zahn-auf-Zahn-Stellnaen" an- und abschaltbar sind.
• Nach Anspruch 5 werden besonders für Drehmomentbearenzunasanwendungen geeignete Stirnverzahnungen vorgeschlagen.
• - Nach Anspruch 6 werden zusätzliche Möglichkeiten z. B. für die Schaltsynchronisierung mehrerer gemeinsam eingesetzter Kupplungen durch Feinjustage im Einbauzustand lrorgeschlagen.
• - Nach Anspruch 7 wird eine Möglichkeit geschaffen, Kupplungen gemäB Anspruch 1 mit Kupplungen an sich gleicher Bauart in einem gemeinsamen Schaltsystem zu kombinieren, wobei jedoch einzelne Kupplungen bei Stromausfall öffnen, während andere wieder erfindungsgemäz bei Stromausfall geschlossen bleiben.
• Weitere Vorteilsangaben sind aus der Beschreibung der Zeichnungen zu ersehen, welche ein alle Einzelheiten der Erfindung darstellendes Ausführungsbeispiel zeigern.
• Fig. 1A zeigt einen Querschnitt durch die Kupplungen im geschlossenen Zustand Fig. 1B zeigt den gleichen Querschnitt der Kupplungen im geöffneten Zustand Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Ausführuncsform der Mitnahmeverbindung mit einer Stirnverzahnung Fig. 3 zeigt ein elektrisches Schaltschema für den Kupplungsanschluß Fig. 4 zeigt ein Funktionsdiagramm Fio, 5 zeigt ein Kraft-Weg-Diagramm Nach Fig. 1A bzw. 1B steht zwischen einer, in einem Maschinengehäuse 1 geführten Antriebswelle 2 und einer dazu koaxialen Abtriebswelle 3 über einen darauf befestigten Mitnehmerflansch 4 sowie eine diesem antriebsseitig vorgelagerte Kupplung 5 eine elektrisch betätigbare Mitnahrreverbindung 8. Diese kann in Form einer Reibverbindung 9 oder einer Stirnverzahnung 10, 11 (siehe auch Fig. 2) ausgeführt sein. Sie ist einerseits angeordnet auf einer abtriebsseitigen Kreisringfläche am außeren Umfang eines auf der Antriebswelle 1 befestigten Rotorflanschec 12 und andererseits auf einer diesem zugewandten entsprechenden Kreisringfläche einer Ankerscheibe 13, welche zwischen dem Rctorflansch 12 und dem Mitnehmerflansch 4 durch an diesen wechselseitig angebrachte Befestigungsschrauben 14A, 14B einer Scheibenfeder 15 um einen Axialluftspalt A axial beweglich, aber drehfest geführt ist. Die Feder 15 ist dabei so geformt und gehaltert, daß sie die Ankerschaibe 13 ständig gegen 2F Mltnehmerflansch 4 angebrachte stirnseitioe Anschläge 16 heranzuziehen bestrebt ist. Wenn diese Anschläge 16 höher als die Feder 15 und z. B. als Konterschraube ausgeführt sind, kann damit die Vorspannung der Feder 15 in gewissen Grenzen variiert und die Ansprechgrenzen der Mitnahmeverbindung 8 auf eventuell als unzulässig erachtete Drehmomente variiert bzw. justiert oder die Kupplung überhaupt blockiert werden. Die radiale Führung der ringförmiaen Ankerscheibe 13 aus magnetisierbarem Material erfolgt durch die Feder 15. Die Köpfe der Befestigungsschrauben 14A, 14B ragen unter Baulängenersparnis in entsprechend groBe Axialbohrungen 17A, 17B der Ankerscheibe 13 bzw. des Mitnehmerflansches 4 mit Radialspiel hinein. Der Rotorflansch 12 weist etwa gleichen Außendurchmesser wie die Ankerscheibe 8 auf und ist auf dem abtriebsseitigen Ende der Antriebswelle 1 mit einem Abstand vor einem Stirnflansch 18 der Gehäusewand 1 angeordnet, in den ein am Stirnflansch 18 angeschraubter Maqnetträcerring 19 mit axial vorspringendem L-förmigen Querschnitt eingepaßt ist, dessen koaxialer Steg sowohl einen ringscheibenformigen Dauermagnet 20 als auch eine etwa gleichen Außendurchmesser aufweisende Magnetspule 21 radial überdeckt, wobei letztere ihrerseits in einem ebenfalls L-förmigen Querschnitt aufweisenden Spulenträger 22 eingebettet und sowohl gegen dieser.
• als auch gegen den Magnetträger 19 mittels Isolierstoff 23 elektrisch und zumindest im Bereich zwischen den Magneten auch r.aatisch getrennt ist. In den Rotorflansch 12 ist oberhalb seiner Nabe 24 antriebsseitig eine groß axiale Ringnut 25 einoearbeitet, in welchen die koaxialen Stege des Magnetträgerringes 19 und des Spulenträgers 22 mit einem kleinen Radialspiel P. und einem relativ großen Axialspiel ohne Berührung hineinpassen.
• Der Außenrand 25 der Ringnut 25 springt dabei gehäuseseitig axial so weit vor, daß seine Vorderkante die Magnetspule 21 über deckt. Etwa in der Mitte des Bodens der Ringnut 25 und damit auch axial vor der Mitte der Magnetspule 21 ist in den Rotorflansch 12 ein Bereich mit magnetischer Isolation 27 eingelassein, durch den die magnetischen Kraftlinien des Dauermagneten 20 gezwungen werden, die Ankerscheibe 13 radlal zu durchströmen.
• Nach Fig. 2 ist eine Sonderform der Mitnahmeverbindung 8 als Schrägklauenverzahnung 10, 11 dargeste'lt. Dabei ist die Zahnflankerschräge auf an sich bekannte Weise so aewählt, daß die axial bewegliche Verzahnungshälfte 11 an der Ankerscheibe 13 bei Uberschreitung eines bestimmten Zahndruckes aus der Zahr.-lücke der axial festen Verzahnungshälfte 10 am Rotorflansch 12 herauscedrückt werden kann. Weiterhin ist die Breite der Zahr.-lücke so reichlich, daß die Zähne selbst bei Anlage der Zahr.-köpfe im Zahngrund der jeweilige Zahnhälfte noch ein deutliches Spiel in Drehrichtung aufweisen.
• In Fig. 3 ist ein Schema der elektrischen Schalteinrichtung 7 zur Kupplungsbetätigung dargestellt. Plus- und Miruspole einer Gleichstromquelle 28 liegen dort an den Eingangsklemmen von Doppelschaltern S1 für EIN-Schaltung, S2 für AUS-Schaltung und S3 für eine Teilerregung der Magnetspule gemaß einaestelltem Wert eines Stromteilers 29. Die jeweiligen Ausgangsklemmen der Schalter S1, 52, S3 sind mit dem Stromanschluß 6 der Kupplung 5 direkt verbunden. Dabei sind jedoch die Plus- und Minuspole bei den Schaltern S2 und S3 gegenüber denen von Schalter S1 vertauscht. Der Schalter S3 bietet eine für die Grundfunktion der Kupplung nicht unbedingt erforderliche zusätzliche Anwendungsmöglichkeit zur elektrischen Vorgabe veränderter Belastbarkeitsgrenzen mittels Variation der Haltekraft F durch Verbreiterung bzw. Verkürzung des axialen Luftspaltes A.
• In Fig. 4 sind die Variationsmöglichkeiten der Haltekraft F in Abhängigkeit von Spannung U und Stromrichtung graphisch dargestellt. Ein Strorrstoß mit Spannung U+ über Schalter S1 bewirkt nach Uberwindung der Rückhaltekraft der Scheibenfeder 15 ein Schließen der Kupplung 5 in einer Stellung, in der die Kraft des Dauermagneten 20 dank kleinen Luftspaltes A zum Festhalten in der EIN-Rückungsstellung der Kupplung alleine ausreicht. Somit bleibt die Mitnahmeverbindung 8 dann auch im stromlosen Zustand geschlossen, so lange, bis ein Stromstoß mit der Spannung U-über den Schalter S2 nach Überwindung der Rückhaltekraft des Dauermagneten 20 die Rückkehr der Ankersceibe 13 in die Offnungssteliung bewirkt, in der sie nach Erweichung der Endstellung durch die Rückhaltekraft F15 der Scheibenfeder 15 festgehalten wird. - Aus De=tlichkeitsgrnden wurde hier auf die Darstellung der mit Schalter S3 zusätzlich geboten Variationsmoclichkeiten verzichtet. Diese Möglichkeiten beruhen darauf, mit einer reduzierten, gegenpoligen Teilspannung einen Stromstoß auszulösen, welcher die Stirnverzahnung 10, 11 nur teilweise zu öffnen imstande ist, so daR sie bei Belastung mit höheren Drehmomenten leichter selbst aufspringen kann. Sobald das zu übertragende Drehmoment den der Haltekraft beim entsprechenden Flankenwinkel entsprechenden Wert übersteigt. Die Ankerscheibe 13 wird dabei durch das Drehmoment aus der Verzahnung gewiesen. So kann das abzusichernde Drehmoment allein durch gegengepolte Teilerregung der Magnetspule 21 stufenlos verändert und die jeweilige Maschine unterschiedlichen Betriebszuständen leicht und zuverlässig in reproduzierbarer Weise angepaßt werden. Eine Dauereinstellung kann bei Bedarf bewirkt werden, indem z. B. mittels verstellbarer Anschläge 16 bzw.
• Stellschrauben der Schaltweg der Ankerscheibe 13 bzw. die Federkraft F15 so begrenzt wird, daß entweder kein vollständiges öffnen der Mitnahmeverzahnung 10, 11 mehr möglich ist, oder die Kupplung überhaupt offen- bzw. geschlossengehalten wird. Auch kann so die Federkraft nachjustiert werden.
• Die Magnetflüsse und Federkräfte bei den verschiedenen Magnetaktivierungen sind mittels strichpunktierter Linien in Fig. 1 eingetragen. Im stromlosen, geschlossenen Zustand der Kupplung 5 verläuft der Magnetfluß 30 des Dauermagneten 20 auf weiter Schleife über den Spulenträger 22, die Nabe 24 des Mitnehmerflansches 4 zur Ankerscheibe 13 und von dort über den Außenrand 26 des Mitnehmerflansches 12 und den Außenrand des Magnetträgerringes 19 wieder zurück zum Dauermagneten 20 im gleichen Sinne wie das Magnetfeld 31 der Magnetspule 21 bei Gleichpoluno. Dabei wird die Federkraft F15 durch die Magnetkräfte F20, F21 überwunden. Der Feldverlai:f in der Magnetspule 21 bei Gegenpolung 33 drängt den Maetfluß 30 des Dauermagneten 20 in zwei abqedränaten kleinen Feldern 32 im Bereich der inneren und sauberen Schmalkanten des Dauermagneten 20 zusammen, so der die Mitnahmeverbindung 8 durch Abstoßung der Ankerscheibe 13 bzw. größeren Anteil der Federkraft F15 der Scheibenfeder 15 geöffnet und dann auch offengehalten werden kann. Aus dem Kraft-Weg-Diagramm nach Fig. 5, in dem die Haltekräfte F über dem Axialluftspalt A aufgetragen sind, lassen sich die Kräfteverläufe bei unterschiedlichen Axialluftspalten A und ihre relativen Verläufe bzw. Einflüsse verfolgen: Bei Betätigung des Schalters S1, also bei Einrückung der Kupplung und gänzlich geschlossenem Axialluftspalt A, ergibt sich zuerst die Haltekraft Fpositiv max aus der Summe der Zugkraft F20 (volle Linie) des Dauermagneten 20 zuzüglich der Zugkraft F21 (gestrichelte Linie) der Magnetspule 21 abzüglich einer maximalen Federkraft F15 (dünne Linie) und liegt über der einem maximalen Drehmoment Md entsprechenden Grenzbelastung. Mit zunehmend größer werdendem Axialluftspalt A sinkt die an sich entgeaenwirkende Gesamthaltekraft F infolge flacher fallender Federgegenkraft F15 (dünne Linie) zuerst steil, später sanfter ab, bis (im Beispiel bei etwa 50 % von A) die Federkraft F15 die Zugkraft F20 des Dauermagneten 20 überwiegt und die Kupplung 5 daher nun allein durch die Feder 15 vollends geöffnet werden kann, solange die Kraft F21 der Magnetspule 21 fehlt. Kommt jedoch danach bei Betätigung des Schalters S2 zu der an sich infolge des großen Axialluftspaltes A ja nur relativ kleinen Magnetkraft F2Omin nur eine, ebenfalls relativ kleine Spulenkraft F21 hinzu, erhöht sich auch in der vollkommen ausgerückten Stellung der Kupplung 5 die gesamte Haltekraft Fpositiv auf einen die Federkraft 15 wieder übersteigenden Wert Fpositiv min' und der Weg zurück in die EIN-Rückstellung der Kupplung 5 kann mit schnell zunehmenden Magnet- und Spulenkräften Fpositiv wieder beginnen. Ein Zugkraftverlauf F21part für eine z. B. über den Schalter S3 nur teilerregte Magnetspule 21 ist strichpunktiert für einen Wert F21part F21 entsprechend 50 % part max des maximalen Drehmomentes Md gezeichnet.
• Bei einem ebenso steilen Kräfteabfall mit größer werdendem Axialluftspalt A aus der EIN-Rückstellung der Kupplung 8 heraus ist die Haltekraft F2 schon nach etwa 10 % des Weges kleiner als die Haltekraft geworden, die einen minimalen Drehmoment Mdmin entspricht, so daß letzteres die Kupplung vollends alleine wieder öffnen und die Feder 15 sie dann auch weiter offenhalten kann.
• Bezugszeichen 1 Gehäusewand 2 Antriebswelle 3 Abtriebswelle 4 Mitnehmerflansch 5 Kupplung 6 Stromanschluß an 5 7 Schalteinrichtung 8 Mitnahmeverbirdung von 5 9 Reibverbindung (alternativ) 10 Stirnverzahnung antriebsseitig 11 Stirnverzahnung abtriebsseitig 12 Rotorflansch 13 Ankerscheibe 1 A Befestiaungsschrauben in 4 bzw. 13 14B 15 Scheibenfeder 16 Anschlag (Stellschraube) 17A Führungsbohrungen in 13 bzw. 4 t 7B 18 Stirnflansch von 1 19 Magnetträgerring 20 Dauermagnet 21 Magnetspule 22 Spulenträger 23 Isolierstoff 24 Nabe von 12 25 Ringnut in 12 26 Außenrand von 12 27 Magnetische Isolation 28 Gleichstromquelle 29 Stromteiler 30 Magnetfluß von 20 in stromlosem Zustand 31 Feldverlauf von 21 bei Gleichpoluna 32 Feldverlauf von 21 bei Gegenpolung 33 Abgedrarqte Felder von 20 A Axialluftspalt F Anzugskräfte Md Drehmomente R Radialspiel S1 Schalter für EIN-Rückuna von 8 S2 Schalter für AUS-Rückung von 8 S3 Schalter für Teilerregung U Spannung bzw.
• Stromfluß

Claims (7)

1. Ansprüche 1. Elektromagnetkupplung bzw. -bremse mit durch Gegenpolung elektrisch veränderbarer Anzugskraft indem dem Magnetfeld eines Dauermagneten (20) ein elektromagnetisches Magnetfeld überlagert wird, - mit einer in einem Gehäuse umlaufenden Antriebswelle (2), welche von einem ringförmigen Magnetkörper (19, 20, 21, 22) umschlossen wird, - der an der Wand (1) des Gehäuses befestigt ist und eine mit dem Dauermagneten (20) kombinierte Elektromagnetspule (21) enthält, - und der mit einem mit der Antriebswelle (2) drehfest verbundenen Rotorflansch (12) zusammenarbeitet, - der durch eine ringförmige magnetisc-e Isolation (27) in ein Nabenteil (24) und ein AuBenrandXeil (26) unterteilt ist, - wobei zwischen dem Rotorflansch (12) und der auf einer Abtriebswelle t3) befestigten Ankerscheibe (13) eine durch Axialbewegung der Ankerscheibe (13) schließbare Mitnahmeverbindung (8) besteht, - und auf die Ankerscheibe (13) eine Feder (15) in Offnunasrichtung wirkt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , a) daB im stromlosen Zustand der Elektromagnetspule (21) die Elektromagnetkupplung im ieweiligen Schaltzustand gehalten wird, b) und zwar im geschlossenen Zustand durch die Kraft des Dauermagneten (20), c) und im geöffneten Zustand durch die Kraft der Feder (15), d) und daBdie Elektromagnetspule (21) nur kurzzeitig zum Umschalten mit der Schaltrichtung entsprechend gepoltem Strom erregt wird.
2. 2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daB elektrische Mittel (S1, S2 und ggf. S3) vorgesehen sind, um die Schaltzustände der Mitnahmeverbindung (8) mittels kurzer Stromimpulse definierter Richtung zu verändern.
3. 3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h r e t , cclfi sree rlichen Drehmomentgrenzen (Md) zuordenbare Mittel (S3) zur Beaufschlagung der Elektromagnetspule (21) im geschlossenen Zustand mit negativen Teilströmen (U-) vorgesehen sind, während deren Aktivierung die Mitnahmeverbindung (8) bei Uberschreitung vorgebbarer Drehmomentgrenzen (Md) in öffnungslage geht.
4. 4. Kupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daB die Mitnahmeverbindung (8) aus einander zugewandten Stirnverzahnungen (10, 11) auf dem Rotorflansch (12) und der Ankerscheibe (13) besteht.
5. 5. Kupplung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daB die Stirnverzahnung (10, 11) mit schrägen Zahnflanken ausgeführt ist.
6. 6. Kupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daB mechanische Mittel (16) vorgesehen sind, um ein vorgebbares Uberlastungsdrehmoment (Md), bei welchem die Mitnahmeverbindung (8) öffnet, fest einzustellen.
7. 7. Kupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mechanische Mittel (16) vorgesehen sind, während deren Aktivierung die Mitnahmeverbindung (8) in öffnungsstellung bleibt.