DE4004785A1 - Reihenschlussmotor mit einer bremseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reihenschlußmotor, insbesondere Universalmotor, mit einer Bremseinrichtung, mit einem eine Feldwicklung aufweisenden Stator und mit einem rotierenden, über einen Kommutator und Bürsten gespeisten Anker, wobei zum Bremsen eine Kurzschlußeinrichtung für den Anker vorge­ sehen ist.

Bei derartigen Reihenschlußmotoren, insbesondere bei Motoren mit kleiner Leistung, ist es häufig wünschenswert, eine elektrische Bremseinrichtung vorzusehen, so daß beim Ab­ schalten des Motors dieser sehr schnell zum Stillstand kommt. Beispielsweise beim Einsatz derartiger Motoren für elektri­ sche Handwerkzeuge sprechen auch Sicherheitsgründe dafür, daß der Motor nach dem Abschalten sehr schnell zum Stillstand kommt. Oft steht ein Schneidwerkzeug, beispielsweise eine Hobelwalze, ein Sägeblatt, ein Schleifwerkzeug od. dgl., aus dem Handwerkzeug heraus, so daß es nach dem Abschalten erst dann auf eine Ablage abgesetzt werden kann, wenn der Motor vollständig zum Stillstand gekommen ist. Auch aus diesem Grunde besteht ein Erfordernis für ein schnelles Abbremsen.

Bei einer bekannten Bremseinrichtung wird das Remanenzfeld des Eisenkreises des Motors zur Einleitung der Bremserregung ausgenutzt, wobei zum Bremsen der Anker des Motors kurz­ geschlossen wird. Allerdings ist bei der bekannten Brems­ einrichtung durch den Wechselstrombetrieb das Remanenzfeld des Eisenkreises nicht definiert vorhanden. Dadurch ergeben sich prinzipbedingt keine reproduzierbaren Bremsvorgänge, weil das anfänglich die Erregung bewirkende Remanenzfeld vom Ausschaltzeitpunkt bestimmt wird und für eine Einleitung des Bremsvorganges zu klein sein kann. Weiterhin kann das Bremsmoment nur dann gebildet werden, wenn die Anker- oder Feldstromrichtung umgepolt wird. Reicht das initiierende Remanenzfeld aus, so wird die Feldbildung mit dem Bremsstrom erreicht, so daß ohne Regelung des Bremsstromes hohe Brems­ ströme kommutiert werden müssen, was zu hohem Bürstenfeuer und damit zu einem hohen Bürsten- und Kommutatorverschleiß führt. Um diesen zu verhindern, müßte eine aufwendige und teure Bremsstromregelung vorgesehen werden.

Weiterhin ist in der DE-OS 3 63 655 eine Vorrichtung zum Abbremsen derartiger Motoren beschrieben, bei der die Ein­ leitung der Bremserregung elektrisch bzw. elektronisch vor­ genommen wird. Auch bei dieser bekannten Bremseinrichtung ist eine Umpolung der Feldwicklung erforderlich. Das ein­ leitende Bremsfeld ist nicht konstant, weil das initiierende elektrische Feld, das durch einen Kondensatorstrom bewirkt wird, dem Remanenzfeld überlagert wird, so daß die Bremszeit nicht reproduzierbar konstant ist. Die Einleitung und Rege­ lung der Erregung ist sehr aufwendig, deswegen ist eine zusätzliche Elektronikbaugruppe erforderlich. Die Dimensionie­ rung der Erregerschaltung ist aufwendig, und die Bremsenergie­ speicher, vorzugsweise Elektrolytkondensatoren, haben nur eine begrenzte Lebensdauer. Beim Ausfall von Bauteilen der Erregerschaltung ist eine Bremsung nicht mehr möglich. Der Bremsstrom muß auch hier noch zusätzlich geregelt werden, um eine definierte Bremszeit zu erhalten und um das Bürsten­ feuer klein zu halten. Die Bremsenergie wird in einem Brems­ widerstand in Wärme umgesetzt, wodurch entweder die Anzahl der aufeinanderfolgenden Bremsvorgänge begrenzt oder eine zusätzliche Kühlung der Bauteile erforderlich ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Bremseinrichtung für Reihenschlußmotoren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei einfachem und kosten­ günstigem Aufbau eine hohe Sicherheit beim Bremsen gewähr­ leistet, wobei das Bürstenfeuer klein gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwi­ schen Stator und Anker wenigstens ein am Stator befestigter, als Permanentmagnet ausgebildeter Bremsmagnet vorgesehen ist.

Die zur Bremsung erforderliche Energie, also die Energie zur Erregungseinleitung, wird dauermagnetisch zur Verfügung gestellt, so daß ein konstantes Bremsfeld und damit reprodu­ zierbare Bremsvorgänge möglich sind. Elektronische Bauteile, deren Ausfall einen Bremsvorgang ausschließen würden, sind nicht erforderlich bzw. nicht vorgesehen. Die erforderlichen Bremsmagnete sind kostengünstig herstellbar. Eine anfängliche Ankerrückwirkung, insbesondere bei hohen Motorbetriebsdreh­ zahlen, läßt zusätzlich als Nebeneffekt den Bremsstrom ver­ zögert ansteigen. Weiterhin wird die gesamte Bremsenergie direkt im Motoranker umgesetzt und nicht etwa in einem zu­ sätzlichen Bremswiderstand, gemäß dem eingangs angegebenen Stand der Technik. Der Anker hat üblicherweise eine große, eine Kühlung ermöglichende Oberfläche und eine sehr große Wärmekapazität und wird außerdem in vielen Motoren ohnehin gekühlt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Reihenschlußmotors möglich.

Besonders günstig erweist sich die Verwendung einer der­ artigen Bremseinrichtung bei Universalmotoren, deren Bürsten relativ zur geometrisch neutralen Zone entgegen der Dreh­ richtung verschoben sind, da dann eine besonders einfache Anordnung der Bremsmagnete möglich ist, die zu kleinem Bürsten­ feuer führt. Um beim Bremsen ein möglichst hohes Feld und damit einen hohen Bremsstrom zu erzielen, weist der Brems­ magnet zweckmäßigerweise zum Anker hin einen sehr kleinen Spalt auf.

Als besonders günstig erweist sich eine Anordnung des wenig­ stens einen Bremsmagneten im Bereich zwischen zwei Stator­ polen. Hierdurch ist eine einfache Befestigung ohne Umkonstruk­ tion eines handelsüblichen Motors möglich.

Ein besonders starkes Magnetfeld kann durch die Anordnung von zwei einander gegenüberliegend in der geometrisch neu­ tralen Zone angeordneten Bremsmagneten erreicht werden, wobei die jeweils nach innen weisenden Enden der Bremsmagnete entgegengesetzte Magnetpole aufweisen. Ein minimales Bürsten­ feuer kann dadurch erreicht werden, daß nur ein Bremsmagnet in der geometrisch neutralen Zone angeordnet ist, wobei vorzugsweise die durch die Polanordnung des Bremsmagneten vorgebbare Richtung des Permanentmagnetfelds jeweils während einer der Halbwellen der Versorgungswechselspannung der Motor-Hauptfeldrichtung in demjenigen Winkelbereich entgegen­ gerichtet ist, in dem die während dieser Halbwelle einen Stromfluß zum Kommutator hin aufweisende Bürste angeordnet ist. Bei einer Motordrehrichtung im Uhrzeigersinn weist hierfür der Nordpol des Bremsmagneten zum Anker hin, und bei einer Motordrehrichtung gegen den Uhrzeigersinn weist der Südpol des Bremsmagneten zum Anker hin.

Als Kurzschlußeinrichtung ist vorzugsweise ein im nicht erregten Zustand geschlossener steuerbarer Schalter vorge­ sehen, der den Anker überbrückt. Dieser Schalter ist zweck­ mäßigerweise als Relais ausgebildet. Der Bremsvorgang wird dadurch automatisch im stromlosen Zustand eingeleitet, wobei der besondere Vorteil darin besteht, daß dieser Bremsvorgang auch bei Netzspannungsausfall einsetzt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Universalmotors mit Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 2 einen Universalmotor mit einem Bremsmagneten in einer der geometrisch neutralen Zonen während einer Spannungshalbwelle als erstes Ausführungs­ beispiel,

Fig. 3 das in Fig. 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel während der anderen Spannungshalbwelle,

Fig. 4 einen Universalmotor mit zwei Bremsmagneten in den geometrisch neutralen Zonen als zweites Aus­ führungsbeispiel während einer Spannungshalbwelle,

Fig. 5 das in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungs­ beispiel während der anderen Spannungshalbwelle und

Fig. 6 einen Universalmotor mit zwei Bremsmagneten in den Statorpolen als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Prinzipschaltbild ist ein Universalmotor 10 schematisch dargestellt. Er weist einen rotierenden Anker 11 auf, dessen Stromversorgung über zwei Bürsten 12, 13 und einen nicht dargestellten Kommutator er­ folgt. Diese Art der Stromversorgung ist zumindest bei allen Universalmotoren gebräuchlich und bekannt. Zwei Feldwick­ lungen 14, 15 sind jeweils mit einem Anschluß an einer der Bürsten 12, 13 angeschlossen, während der jeweils andere Anschluß mit einem zweipoligen Schalter 16 verbunden ist, über den der Universalmotor 10 mit einer Versorgungswechsel­ spannung beaufschlagt werden kann.

Als Kurzschlußeinrichtung ist ein Relais 17 vorgesehen, dessen Relaiswicklung 18 an die über den Schalter 16 ein- und ausschaltbare Versorgungswechselspannung gelegt ist, während ein Relais-Schaltglied 19 die beiden Bürsten 12, 13 im nicht erregten Zustand des Relais 17 verbindet. Das Relais 17 ist also als Öffner-Relais ausgebildet.

Bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten ersten Ausführungs­ beispiel eines Universalmotors weist ein im wesentlichen rohrförmig ausgebildeter Stator 20 zwei nach innen weisende Statorpole 21, 22 auf, zwischen denen sich der Anker 11 dreht. Auf den Statorpolen 21, 22 befinden sich die beiden Feld­ wicklungen 14, 15. Der Anker 11 weist in üblicher Weise eine Ankerwicklung 23 auf, wobei die Stromzuführung über die beiden Bürsten 12, 13 und einen nicht dargestellten Kommu­ tator erfolgt. Die beiden Bürsten 12, 13 sind in den Fig. 2 und 3 nur schematisch bezüglich ihrer Winkelstellung zu den geometrisch neutralen Zonen des Erregerteils dargestellt, die sich jeweils zwischen den Statorpolen 21, 22 befinden. Bei einer realisierten Ausführungsform sind diese Bürsten 12, 13 selbstverständlich radial nach innen versetzt und liegen am Kommutator an, der auf der Ankerwelle angeordnet ist.

In der geometrisch neutralen Zone der rechten Seite ist zwischen den Statorpolen 21, 22 eine Bremsmagnet 24 am Stator 20 befestigt und bildet einen sehr kleinen Spalt 25 zum Anker 11 hin. Dabei weist der Nordpol (N) des Bremsmagneten 24 zum Anker 11 hin, während der Südpol (S) am Stator 20 anliegt.

Der Bremsvorgang wird dadurch eingeleitet, daß der Anker kurzgeschlossen wird. Dies kann durch Ausfall der Versorgungs­ wechselspannung oder durch Öffnen des Schalters 16 erfolgen. In beiden Fällen schließt das Relais-Schaltglied 19 und verbindet die beiden Bürsten 12, 13 miteinander, was zu einem Kurzschluß der Ankerwicklung 23 führt. Das Einleiten des Bremsvorgangs ist nicht durch ein zusätzliches und schäd­ liches Bürstenfeuer begleitet, weil das den Bremsstrom trei­ bende Feld durch den Bremsmagneten 24 fest vorgegeben ist, so daß auch ein definierter Bremsstrom eingestellt werden kann. Zusätzlich läßt eine anfängliche Ankerrückwirkung bei hohen Motorbetriebszahlen als Nebeneffekt den Bremsstrom verzögert ansteigen. Die gesamte Bremsenergie wird direkt im Motoranker umgesetzt.

Zunächst läßt die Anordnung des Bremsmagneten 24 in der geometrisch neutralen Zone des Erregerteils eine Verschlechte­ rung der Kommutierung im Normalbetrieb des Motors vermuten, da ein zusätzliches Feld durch den Bremsmagneten 24 in der neutralen Zone eingebracht wird. Eine Verschlechterung der Kommutierung würde zu verstärktem Bürstenfeuer führen. Die Universalmotoren mit Vorzugsdrehrichtung weisen jedoch eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Bürstenverschiebung entgegen der Drehrichtung auf, um die Kommutierung der Anker­ wicklung 23 zu verbessern. Dies ist symbolisch durch die Winkellage der Bürsten 12, 13 dargestellt, wobei der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Universalmotor 10 eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn aufweist. Durch diese Bürstenverschiebung findet die Kommutierung nicht mehr oder nur noch zu einem kleinen Teil unter dem Einfluß dieses zusätzlichen Permanent­ magnetfeldes statt. Dies wird anhand der dargestellten Magnet­ felder erläutert. Dabei wird das Hauptfeld H durch durchge­ zogene Linien dargestellt, während das durch den Bremsmagneten 24 verursachte Permanentmagnetfeld mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Die einzelnen Pfeile im Anker 11 zeigen die jeweilige Richtung und Stärke (Pfeildicke) des Haupt­ feldes H. In den Feldwicklungen 14, 15 und in den einzelnen Teilwicklungen der Ankerwicklung 23 ist die jeweilige Strom­ richtung durch einen Punkt bzw. die entgegengesetzte Strom­ richtung durch ein Kreuz dargestellt.

Für den zeitlichen Augenblickswert einer negativen Netz­ spannungshalbwelle gemäß Fig. 2 fließt der Strom aus dem Kommutator in die Bürste 12 hinein. Das Magnetfeld des Brems­ magneten 24 verstärkt an dieser Stelle das schwache Haupt­ feld, was infolge dieser Stromrichtung dennoch nur ein nor­ males Bürstenfeuer ergibt. Den Zustand während einer posi­ tiven Netzspannungshalbwelle zeigt Fig. 3. Der Strom aus der Bürste 12 fließt in den Kommutator, allerdings schwächt jetzt das Permanentmagnetfeld des Bremsmagneten 24 an dieser Stelle das dort schwache Hauptfeld, so daß keine Kommutierungs­ schwierigkeiten unter dieser Bürste auftreten. Der Einfluß des Bremsmagneten 24 auf die andere Bürste 13 ist vernach­ lässigbar gering. Diese Ausführungen zeigen, daß zu keinem Zeitpunkt im Normalbetrieb des Universalmotors 10 ein stören­ des Bürstenfeuer auftritt, so daß die Anordnung des Brems­ magneten 24 keinen nennenswerten negativen Einfluß während des normalen Betriebs ergibt.

Die für den störungsfreien Betrieb erforderliche Magnetisie­ rungsrichtung des Bremsmagneten 24 richtet sich nach der Motordrehrichtung. Würde eine Motordrehrichtung gegen den Uhrzeigersinn vorliegen, so wäre eine umgekehrte Polarität des Bremsmagneten 24 erforderlich, wobei wiederum in üblicher Weise eine Bürstenverschiebung entgegen der anderen Dreh­ richtung vorliegen würde bzw. müßte.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte zweite Ausführungs­ beispiel entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben sind. Anstelle des einen Bremsmagneten 24 treten nunmehr zwei Bremsmagnete 30, 31, die in den beiden geometrisch neutralen Zonen des Erreger­ teils einander gegenüberliegend am Stator 20 angeordnet sind. Beim Bremsmagneten 30 in der rechten neutralen Zone weist der Südpol nach innen und liegt der Norpol am Stator 20 an, während dies beim Bremsmagneten 31 umgekehrt der Fall ist. Es liegt wiederum eine Drehrichtung des Ankers 11 im Uhrzeigersinn vor.

Für den zeitlichen Augenblickswert einer negativen Spannungs­ halbwelle ergeben sich die in Fig. 4 dargestellten Verhält­ nisse. Der Strom fließt aus dem Kommutator in die Bürste 12, wobei das Permanentmagnetfeld des Bremsmagneten 30 das schwache Hauptfeld an dieser Stelle schwächt, so daß sowohl aus diesem Grunde als auch wegen der Stromrichtung in die Bürste hinein keine Kommutierungsschwierigkeiten unter der Bürste 12 auftreten. Aus der Bürste 13 fließt der Strom in den Kommutator hinein, allerdings ist auch hier das Haupt­ feld durch das Permanentmagnetfeld des Bremsmagneten 31 an dieser Stelle geschwächt, so daß auch hier kein wesent­ liches zusätzliches Bürstenfeuer auftritt.

Der Zustand während einer positiven Netzspannungshalbwelle ist in Fig. 5 dargestellt. Der Strom aus der Bürste 12 fließt in den Kommutator, gleichzeitig verstärkt das Magnetfeld des Bremsmagneten 30 das dort schwache Hauptfeld, so daß die entsprechenden Ankerteilwicklungen unter dem resultieren­ den Feld kommutieren, was stärkeres Bürstenfeuer verursacht. Auch bei der Bürste 13 liegt eine derartige Feldverstärkung vor, allerdings fließt dort der Strom aus dem Kommutator in die Bürste 13 hinein, was dadurch lediglich ein normales Bürstenfeuer ergibt.

Beim zweiten Bürstenfeuer tritt daher zwar im Normalbetrieb des Universalmotors ein etwas stärkeres Bürstenfeuer auf, allerdings steht dafür beim Bremsen ein stärkeres Brems­ magnetfeld zur Verfügung oder es können kleinere bzw. kosten­ günstigere Magnete eingesetzt werden.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel sind zwei Bremsmagnete 32, 33 in den Statorpolen 21, 22 von innen her in entsprechenden Ausnehmungen eingelassen. Bei dieser Anordnung der Bremsmagnete 32, 33 kann sich zwar die Vergrößerung des Luftspaltes und damit die Beeinflussung des Hauptfeldes störend auswirken, jedoch kann insbesondere bei sehr kleinen Motoren eine sehr kompakte Anordnung erzielt werden. Diese Magnetanordnung eignet sich auch für solche Motoren, bei denen in der neutralen Zone aus Platzgründen eine Befestigung nicht möglich ist.

Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung kann außer für Universal­ motoren auch noch in entsprechender Weise für andere Reihen­ schlußmotoren verwendet werden.

Unter dem Begriff "Kurzschlußeinrichtung für den Anker" sind auch anders ausgebildete Stromsenken zu verstehen, z. B. ein steuerbarer Halbleiterschalter anstelle eines Relais im Kurzschlußzweig. In Verbindung mit dem steuerbaren Halb­ leiterschalter kann in speziellen Fällen auch eine Regelung des Kurzschlußstroms vorgesehen sein.

Claims (12)

1. Reihenschlußmotor, insbesondere Universalmotor, mit einer Bremseinrichtung, mit einem eine Feldwicklung auf­ weisenden Stator und mit einem rotierenden, über einen Kommu­ tator und Bürsten gespeisten Anker, wobei zum Bremsen eine Kurzschlußeinrichtung für den Anker vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stator (20) und Anker (11) wenigstens ein am Stator (20) befestigter, als Per­ manentmagnet ausgebildeter Bremsmagnet (24; 30, 31; 32, 33) vorgesehen ist.

2. Reihenschlußmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Universalmotor, dessen Bürsten (12, 13) relativ zur geometrisch neutralen Zone entgegen der Dreh­ richtung verschoben sind.

3. Reihenschlußmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bremsmagnet (24; 30, 31; 32, 33) zum Anker (11) hin einen sehr kleinen Spalt bildet.

4. Reihenschlußmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Bremsmagnet (32, 33) in wenigstens einem Statorpol (21, 22) angeordnet ist.

5. Reihenschlußmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Bremsmagnet (24; 30, 31) im Bereich zwischen zwei Statorpolen (21, 22) angeordnet ist.

6. Reihenschlußmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bremsmagnete (30, 31) einander gegenüberliegend in der geometrisch neutralen Zone angeordnet sind, wobei die jeweils nach innen weisenden Enden der Bremsmagnete (30, 31) entgegengesetzte Magnetpole aufweisen.

7. Reihenschlußmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß nur ein Bremsmagnet (24) in einer der geometrisch neutralen Zonen angeordnet ist.

8. Reihenschlußmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die durch die Polanordnung des Bremsmagneten (24) vorgebbare Richtung des Permanentmagnetfelds jeweils während einer der Halbwellen der Versorgungswechselspannung der Motor-Hauptfeldrichtung in demjenigen Winkelbereich ent­ gegengerichtet ist, in dem die während dieser Halbwelle einen Stromfluß zum Kommutator hin aufweisende Bürste (12) angeordnet ist.

9. Reihenschlußmotor nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Motordrehrichtung im Uhrzeiger­ sinn der Nordpol des Bremsmagneten (24) zum Anker (11) hin weist.

10. Reihenschlußmotor nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Motordrehrichtung gegen den Uhrzeigersinn der Südpol des Bremsmagneten (24) zum Anker (11) hin weist.

11. Reihenschlußmotor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kurzschlußeinrich­ tung ein im nicht erregten Zustand geschlossener, steuerbarer Schalter (17) vorgesehen ist, der die Ankerwicklung (23) überbrückt.

12. Reihenschlußmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schalter (17) als Relais ausgebildet ist.