DE4004785C2 - - 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 und zwischen Stator und Anker wenigstens ein am Stator befestigter, als Permanentmagnet ausgebildeter Bremsmagnet vorgesehen ist.

Bei derartigen Reihenschlußmotoren, insbesondere bei Motoren mit kleiner Leistung, ist es häufig wünschenswert, eine elektrische Bremseinrichtung vorzusehen, so daß beim Abschalten des Motors dieser sehr schnell zum Stillstand kommt. Beispielsweise beim Einsatz derartiger Motoren für elektrische 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 kurzgeschlossen wird. Allerdings ist bei der bekannten Bremseinrichtung 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 Bremsströme 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 36 36 555 eine Vorrichtung zum Abbremsen derartiger Motoren beschrieben, bei der die Einleitung der Bremserregung elektrisch bzw. elektronisch vorgenommen wird. Auch bei dieser bekannten Bremseinrichtung ist eine Umpolung der Feldwicklung erforderlich. Das einleitende 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 Regelung der Erregung ist sehr aufwendig, deswegen ist eine zusätzliche Elektronikbaugruppe erforderlich. Die Dimensionierung der Erregerschaltung ist aufwendig, und die Bremsenergiespeicher, 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 Bürstenfeuer klein zu halten. Die Bremsenergie wird in einem Bremswiderstand in Wärme umgesetzt, wodurch entweder die Anzahl der aufeinanderfolgenden Bremsvorgänge begrenzt oder eine zusätzliche Kühlung der Bauteile erforderlich ist.

Um diesen Nachteilen abzuhelfen, wird in der DE-OS 39 38 241 (die im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigt worden ist) vorgeschlagen, zwei dauermagnetische Bremsmagnete gegenüberliegend in den geometrisch neutralen Zonen zwischen den Statorpolen einzuordnen. Hierdurch werden zwar einige Probleme gelöst, jedoch tritt zyklisch ein starkes Bürstenfeuer auf. Beispielsweise während einer positiven Netzspannungshalbwelle fließt Strom aus einer der Bürsten in den Kommutator. Gleichzeitig verstärkt das Magnetfeld des auf dieser Seite angeordneten Bremsmagneten das dort schwache Hauptfeld, so daß die entsprechenden Ankerteilwicklungen unter dem resultierenden Feld kommutieren, was dieses unerwünschte stärkere Bürstenfeuer verursacht. Die Nachteile eines starken Bürstenfeuers wurden vorstehend bereits erläutert.

Aus der DE-PS 8 81 543 ist es für sich bekannt, Schaltschütze zum Kurzschließen von Ankerwicklungen einzusetzen.

Die 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 gewährleistet und gleichzeitig das Bürstenfeuer reduziert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nur ein Bremsmagnet in einer der geometrisch neutralen Zonen zwischen zwei Statorpolen angeordnet ist.

Wie beim Gegenstand der dem St. d. T. zuzurechnenden DE-OS 39 38 241 wird die zur Bremsung erforderliche Energie, also die Energie zur Erregungseinleitung, wird dauermagnetisch zur Verfügung gestellt, so daß ein konstantes Bremsfeld und damit reproduzierbare 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 Motor­ betriebsdrehzahlen, läßt zusätzlich als Nebeneffekt den Bremsstrom verzögert ansteigen. Weiterhin wird die gesamte Bremsenergie direkt im Motoranker umgesetzt und nicht etwa in einem zu­ sätzlichen Bremswiderstand. Der Anker hat üblicherweise eine große, eine Kühlung ermöglichende Oberfläche und eine sehr große Wärmekapazität und wird außerdem in vielen Motoren ohnehin gekühlt. Darüber hinaus wird jedoch durch die Anordnung nur eines einzigen Bremsmagneten erreicht, daß das stärkere Bürstenfeuer vermieden werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß derjenige Bremsmagnet weggelassen wird, der bei einer Stromrichtung von der Bürste in den Kommutator das Hauptfeld verstären würden. Bei der entgegengesetzten Halbwelle wird zwar das Hauptfeld verstärkt, jedoch ist nun die Stromrichtung umgekehrt, so daß kein verstärktes Bürstenfeuer auftreten kann.

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 derartigen Bremseinrichtung bei Universalmotoren, deren Bürsten relativ zur geometrisch neutralen Zone entgegen der Drehrichtung verschoben sind, da dann eine besonders einfache Anordnung der Bremsmagnete möglich ist, die zu kleinem Bürstenfeuer führt. Um beim Bremsen ein möglichst hohes Feld und damit einen hohen Bremsstrom zu erzielen, weist der Bremsmagnet zweckmäßigerweise zum Anker hin einen sehr kleinen Spalt auf.

Zur zusätzlichen Minimierung des Bürstenfeuer ist vorzugsweise die durch die Polanordnung des Bremsmagneten vorgebbare Richtung des Permanentmagnetfelds jeweils während einer der Halbwellen der Versorgungswechselspannung der Motor-Hauptfeldrichtung in demjenigen Winkelbereich des Stators entgegengerichtet, in dem diejenige Bürste (12) angeordnet ist, die während dieser Halbwelle einen Stromfluß zum Kommutator hin aufweist.

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 zeigt

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 Ausführungsbeispiel und

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

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 erfolgt. Diese Art der Stromversorgung ist zumindest bei allen Universalmotoren gebräuchlich und bekannt. Zwei Feldwicklungen 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 Versorgungswechselspannung 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 Ausführungseispiel 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 Feldicklungen 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 Kommutator 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 Versorgungswechselspannung 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 schädliches Bürstenfeuer begleitet, weil das den Bremsstrom treibende 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 Verschlechterung 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 Ankerwicklung 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 Permanentmagnetfeldes statt. Dies wird anhand der dargestellten Magnetfelder erläutert. Dabei wird das Hauptfeld H durch durchgezogene 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 Hauptfeldes H. In den Feldwicklungen 14, 15 und in den einzelnen Teilwicklungen der Ankerwicklung 23 ist die jeweilige Stromrichtung durch einen Punkt bzw. die entgegengesetzte Stromrichtung durch ein Kreuz dargestellt.

Für den zeitlichen Augenblickswert einer negativen Netzspannungshalbwelle gemäß Fig. 2 fließt der Strom aus dem Kommutator in die Bürste 12 hinein. Das Magnetfeld des Bremsmagneten 24 verstärkt an dieser Stelle das schwache Hauptfeld, was infolge dieser Stromrichtung dennoch nur ein normales Bürstenfeuer ergibt. Den Zustand während einer positiven 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 Kommutierungsschwierigkeiten 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 störendes Bürstenfeuer auftritt, so daß die Anordnung des Bremsmagneten 24 keinen nennenswerten negativen Einfluß während des normalen Betriebs ergibt.

Die für den störungsfreien Betrieb erforderliche Magnetisierungsrichtung 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 Drehrichtung vorliegen würde bzw. müßte.

Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung kann außer für Universalmotoren auch noch in entsprechender Weise für andere Reihenschlußmotoren 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 Halbleiterschalter kann in speziellen Fällen auch eine Regelung des Kurzschlußstroms vorgesehen sein.

Claims (5)

1. 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 und zwischen Stator und Anker wenigstens ein am Stator befestigter, als Permanentmagnet ausgebildeter Bremsmagnet vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Bremsmagnet (24) in einer der geometrisch neutralen Zonen zwischen zwei Statorpolen (21, 22) angeordnet ist.

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

3. Reihenschlußmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 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 des Stators (20) entgegengerichtet ist, in dem diejenige Bürste (12) angeordnet ist, die während dieser Halbwelle einen Stromfluß zum Kommutator hin aufweist.

4. Reihenschlußmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kurzschlußeinrichtung ein im nicht erregten Zustand geschlossener, steuerbarer Schalter (17) vorgesehen ist, der die Ankerwicklung (23) überbrückt.

5. Reihenschlußmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (17) als Relais ausgebildet ist.