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Erfindungsgebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Bremsen, Kupplungen,
Widerstand erzeugenden Einrichtungen und Bewegungssteuervorrichtungen. Speziell
befaßt
sich die Erfindung mit Vorrichtungen, die mit einem auf ein Feld
reagierendes Material durch Drehmomentsteuerung in Drehantrieben
oder linear arbeitenden Einrichtungen verwendet werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Vorrichtungen,
die auf ein Feld ansprechendes Material zur Dämpfung und Steuerung von Schwingungen
und Stößen verwenden,
sind bekannt. Ein derartiges auf ein Feld ansprechendes Material
kann ein geeignetes magnetorheologisches (MR) Material sein, das
dem auf diesem Gebiet tätigen
Fachmann gut bekannt ist. In der folgenden Beschreibung kann das
auf ein Feld ansprechende Material entweder als "MR-Medium" oder "MR-Material" oder "feldempfindliches
Material" oder "durch ein Feld steuerbares
Material" genannt
werden. Dazu kommt, daß Vorrichtungen,
die ein derartiges durch ein Feld steuerbares Material benutzen,
aus Gründen
der Klarheit in der Beschreibung durchgehend im allgemeinen als
entweder "magnetorheologische Vorrichtungen" oder "MR-Vorrichtungen" oder "feldsteuerbare Vorrichtungen" oder "feldansprechende Vorrichtungen" bezeichnet werden.
MR-Vorrichtungen können
einem "Drehantrieb" oder "Linearantrieb" entsprechen und
können
variabel gesteuerte Drehmomente oder Kräfte erzeugen. Zu den bekannten MR-Vorrichtungen
können
beispielsweise Scheibenbremsen, Scheibenkupplungen und lineare Dämpfer gehören.
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Zu
den feldsteuerbaren Vorrichtungen gehören typischerweise ein Gehäuse oder
eine Kammer, die eine Menge eines magnetisch steuerbaren Materials
enthält,
sowie einen beweglichen Körper,
beispielsweise einen Kolben oder Rotor, die durch das Material im
Gehäuse
beweglich gelagert sind. Ein magnetischer Feldgenerator (eine Spule
oder ein Permanentmagnet) erzeugt durch ein oder mehrere Polstücke ein
Magnetfeld, um einen magneti schen Fluß durch gewünschte Bereiche des steuerbaren Materials
zu lenken.
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Das
feldsteuerbare Material, das MR-Vorrichtungen verwenden, besteht
aus weichmagnetischen oder magnetisierbaren Teilchen, die in einem Träger, häufig einer
Flüssigkeit,
verteilt sind. Obgleich viele Stromanwendungen einen flüssigen Träger verwenden,
versteht es sich auch, daß der
Träger auch
aus gasförmigen
Dispersionen, beispielsweise einem Pulver, bestehen kann. Der verlangte
Träger hängt jedoch
von der speziellen Anwendung für
die MR-Vorrichtung ab. Zu den typischen Teilchen gehören Carbonyleisen
oder rostfreier Stahl und dergleichen, die verschiedenartige Formen
haben, jedoch vorzugsweise kugelförmig sind und mittlere Durchmesser
zwischen etwa 0,1 μm
bis etwa 500 μm
aufweisen. Zu den Trägermaterialien
können
beispielsweise Hydrauliköle
gehören.
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Im
Betriebszustand zeigt das feldsteuerbare Material einen rheologischen
Wechsel an, d. h. eine Zunahme der Viskosität oder des Scherwiderstandes,
sobald es einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Je größer die
Stärke
des Magnetfeldes, das das feldsteuerbare Material passiert, um so
höher ist
die Scherspannung oder Drehkraft, die von der MR-Vorrichtung erhalten
werden kann. Derartige MR-Materialien sind im Handel leicht in verschiedenartigen
Formen von der Lord Corporation in Cary, North Carolina, erhältlich,
und die Auswahl des jeweiligen MR-Materials wird typischerweise
durch die gewünschte
Anwendung für
die MR-Vorrichtung bestimmt.
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MR-Vorrichtungen,
insbesondere MR-Bremsen, werden, wenn immer es nötig ist, zur Steuerung von
Bewegung sowie in Anwendungsfällen
verwendet, in denen die Geschwindigkeit oder der Energieverlust
in einem dynamischen System gesteuert werden soll. Dies schließt Systeme
ein, und zwar unabhängig
davon, ob die Systeme pneumatisch, von Hand oder einem Operator
oder durch eine andere die Bewegungskraft erzeugende Einrichtung
angetrieben werden. Die spezielle Anwendung ist der steuerbare Energieverlust
bei Drehantrieben. Energie wird aus einem dynamischen System genommen,
um eine Positions- und/oder Geschwindigkeitssteuerung zu ermöglichen
oder ein gewünschtes
Widerstandsmoment zu erzeugen.
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Zu
den Beispielen für
derartige Systeme gehören
drive-by-wire-Systeme, wie sie beispielsweise in einem Fahrzeug,
Gabelstapler oder dergleichen angewendet werden können. Bei
solchen Anwendungsfällen
wird verlangt, daß die
Funktion der herkömmlichen
mechanischen Steuerungen in einem System auf andere Weise gesteuert
wird. So kann beispielsweise ein Lenkrad Verwendung finden, das eine
Magnetbremse einsetzt, jedoch durch Benutzung der Elektronik für einen
Motor, beispielsweise für
einen Servomotor Signale erzeugt, um die Steuerung der Vorrichtung
zu aktivieren, beispielsweise von Steuerrädern, Flugsteueroberflächen, usw.
In Abhängigkeit
von der Position der Vorrichtung, die von den Servomotoren bewegt
wird, kann erwünscht sein,
den Operator mit einem fühlbaren
Feedback zu versorgen. Sobald somit ein Rad gedreht wird, das zu einer
MR-Bremse gehört,
können
Positionssensoren und geeignete Elektronikelemente Verwendung finden,
um durch Betätigen
des Feldgenerators ein Drehmoment-Feedback zu erzeugen, um dadurch das
MR-Material zu beeinflussen und den Bewegungswiderstand durch einen
Rotor in der Bremse zu vergrößern. Eine
derartige Anwendung kann beispielsweise ein Steuerrad sein, das
an die Einrichtung angebracht wird, um auf diese Weise für den Operator
ein realistisches "Feeling" zu erhalten, und zwar
in einer Weise, das das fühlbare
Feedback der bloßen
mechanischen Systeme vervielfältigt.
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Oftmals
ist der Platz, der für
die Verwendung dieser Einrichtungen zur Verfügung steht, beschränkt, und
spezielle Anwendungsfälle
erfordern, daß die
Einrichtungen so klein wie möglich
gehalten werden, während
trotzdem ein ausreichender Widerstand für die Steuervorrichtung geschaffen
wird. Verlangt wird eine kompakte, integrierte Einrichtung, um sich
an die Platzbeschränkungen
bei speziellen Anwendungsfällen
anzupassen.
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Die
obigen Ausführungen
zeigen bekannte Konstruktionskriterien, die bei gegenwärtigen,
auf ein Feld reagierenden Vorrichtungen existieren, wie beispielsweise
in der
US 5 460 585 beschrieben.
Somit leuchtet ein, daß es
vorteilhaft wäre,
eine Alternative zu schaffen, die auf eine auf ein Feld reagierende Vorrichtung
gerichtet ist, die einem oder mehreren Kriterien entspricht, welche
zu den vorliegenden Vorrichtungen gehören. Dementsprechend wird eine
geeignete Alternative geschaffen, die Merkmale aufweist, welche
im folgenden genauer offenbart werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine steuerbare Bremse, wie sie im
Anspruch 1 definiert ist. Im einzelnen heißt das, die Welle kann von
wenigstens zwei Lagern getragen werden, die voneinander beabstandet
sind. Die Lager sind auf dem Gehäuse
in einer Weise angebracht, die eine zweite Gehäusekammer bildet. Typischerweise
befindet sich die zweite Kammer neben der ersten Kammer.
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Zum
Zwecke der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
bezieht sich der Begriff "Arbeitsteil" auf einen Teil des
Rotors, der bei der Einwirkung eines Magnetfeldes mit dem MR-Medium
in Berührung
kommt, um die Bewegung des Rotors zu bremsen.
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Der
Magnetfeldgenerator kann eine elektromagnetische Spule sein, die
mit Polen versehen ist, welche so positioniert sind, daß sie einen
Fluß fördern, der
sich durch das feldgesteuerte Material auf wenigstens der einen
Seite des Rotors erstreckt, wobei der Rotor als Scheibe ausgebildet
ist. Alternativ dazu kann der Magnetfeldgenerator eine Elektromagnetspule
sein, deren Pole auf beiden Seiten des Rotors der Arbeitsoberflächen des
Rotors angeordnet sind, um den Fluß zu beiden Seiten zu fördern, wobei der
Rotor auch als Scheibe ausgebildet sein kann.
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In
speziellen Anwendungsfällen
wird die Welle für
den Rotor von zwei Lagern in dem Gehäuse drehbar getragen, so daß eine zweite
Kammer elektronische Elemente aufnehmen kann und die Welle an der
Eintrittsstelle in die erste Kammer umgebende Dichtungen vorgesehen
sind, die die erste Kammer abdichten, so daß das Entweichen des steuerbaren Materials
aus der ersten Kammer in die zweite Kammer verhindert wird.
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Die
Mittenrückführung kann
eine Torsionsfeder oder ähnliche
Vorrichtung sein.
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Darüber hinaus
kann die Verbindung zwischen der Welle und dem Rotor so angeordnet
sein, daß zwischen
dem Rotor und der Welle ein gewisses Spiel ermöglicht wird, und die steuernden
Elektronikelemente lassen sich so anordnen, daß sie die Bewegung der Welle
feststellen und den Magnet feldgenerator veranlassen, in Abhängigkeit
von der Wellenbewegung das Magnetfeld zu verringern, so daß eine einfache
Bewegung der Steuervorrichtung ermöglicht wird, die mit der Bremse
verbunden ist, beispielsweise einem Lenkrad, und zwar zurück aus einer
Bewegungsendlage heraus.
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Bei
einer alternativen Konfiguration kann der Rotor so gebaut sein,
daß er
auf dem Außenumfang und
auf den Rotoroberflächen
an einer Stelle in der Nähe
des Außenumfangs
einen Arbeitsteil aufweist. Der Magnetfeldgenerator, der von dem
Rotor entfernt liegt, kann so gebaut sein, daß er einen magnetischen Fluß, der sich
durch das steuerbare Material erstreckt, in beiden Richtungen, nämlich (1)
parallel zu der Welle und lotrecht zu dem Arbeitsteil in der Nähe des äußeren Umfangs
und (2) lotrecht zu der Welle und zu dem äußeren Umfang des Rotors transportiert.
Dies kann dadurch geschehen, daß beispielsweise
der Magnetfeldgenerator als Elektromagnetspule ausgebildet wird,
deren einer Pol neben dem Arbeitsteil auf der einen Oberfläche des
Rotors liegt und deren anderer Pol sich außerhalb des Außenumfangs
erstreckt und wenigstens mit dem Außenumfang des Rotors zusammen
verläuft.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt kann der Rotor so gestaltet sein, daß er erste
und zweite Rotoroberflächen
und einen äußeren Umfang
hat. Der äußere Umfang
ist so geformt, daß der
Arbeitsteil des Rotors in radialer Richtung von dem Rotor und der
Welle weg weist und eine Arbeitsoberfläche hat, die groß genug
ist, um zu ermöglichen,
daß ein
Magnetfeld in dem steuerbaren Material, das auf die Arbeitsoberfläche einwirkt,
eine ausreichende Scherkraft induziert, um die Bewegung des Rotors
zu hemmen oder zu verhindern. Eine derartige Rotorgestaltung kann
eine trommelartige Konfiguration aufweisen, bei der der Außenumfang
in Bezug auf die tatsächliche
Dicke des übrigen
Rotors ziemlich breit geformt ist. Auf diese Weise weist der Magnetfeldgenerator
eine Form auf, die ein Magnetfeld erzeugt, das auf das steuerbare
Material einwirkt und in Kontakt mit dem Arbeitsteil ist.
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Bei
einer derartigen Konfiguration können die
Wände der
Kammer, in der der Rotor angeordnet ist, sich keilförmig verjüngen. Die
Verjüngung
kann so groß sein,
daß sie
ausreicht, um die Wanderung des steuerbaren Materials fort von der
Welle und in Richtung auf die Arbeitsoberfläche des Ro tors zu verstärken. Dazu
kommt, daß andere
alternative Strukturen in den Rotor eingebaut werden können, die
in der Nähe
der Welle, des Gehäuses
und/oder auf der Welle selbst liegen, um einen gewundenen Pfad für das feldsteuerbare
Material zu erzeugen, der es schwer macht, das Material in Richtung
auf die Welle und in Richtung auf Dichtungen wandern zu lassen,
die zu der Welle gehören,
um das Material in der den Rotor aufnehmenden Kammer zurückzuhalten.
Die verwendeten Dichtungen können
herkömmliche
Dichtungen und/oder andere Konfigurationen sein, die dem auf diesem
Gebiet tätigen
Fachmann unbekannt sind, so beispielsweise "V-Dichtungen" herkömmlicher
Konstruktion. In ähnlicher
Weise können
herkömmliche
Lager, beispielsweise Rollenelemente oder Kugelelemente zum Tragen
der Wellen benutzt werden sowie andere Arten von Lagern, die dem Durchschnittsfachmann
gut bekannt und austauschbar sind, einschließlich Wellen, wie Gleitlager
ohne Beschränkung
und dergleichen.
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Die
obigen Merkmale sowie andere Aspekte ergeben sich ohne weiteres
aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, wenn
diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren betrachtet
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die Teil dieser Beschreibung sind, zeigen einige Ausführungsformen
der steuerbaren Bremsen. Die Zeichnungen und die Beschreibung dienen
gemeinsam zur vollständigen
Erläuterung
der Erfindung.
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1 ist
eine Längsschnittansicht
einer MR-Vorrichtung, in der sich Seitenspulen befinden und die
mit elektronischen Elementen versehen ist, welche in der Bremse
integriert sind.
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2 ist
eine Längsschnittansicht
einer MR-Bremse mit umhüllenden
Polen zum Transport des magnetischen Flusses, der auf Arbeitsoberflächen auf
dem Umfang des Rotors sowie auf seiner Seitenoberfläche einwirkt,
wobei ebenfalls integrierte Elektronikelemente vorhanden sind.
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3 ist
eine Längsschnittansicht
einer Trommelbremse gemäß der vorliegenden
Erfindung, die mit Magnetfeldgeneratoren ausgestattet ist, welche
so angeordnet sind, daß sie
auf einen vergrößerten Umfang
einwirken, der eine Arbeitsoberfläche des Rotors bildet, und
die integrierte Elektronikelemente in einer zweiten Kammer sowie
eine zur Mitte rückführenden
Torsionsfeder aufweist, die in der Kammer sitzt, welche den Rotor
aufnimmt.
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4 ist
eine Längsschnittansicht
einer Bremse ähnlich
derjenigen von 1, die jedoch einen Magnetfeldgenerator
zeigt, der so gebaut ist, daß er
auf beiden Oberflächen
des Rotors wirkt und auch integrierte Elektronikelemente zeigt und
darüber
hinaus wie eine Mittenrückführtorsionsfeder
innerhalb des Gehäuses
für die
Elektronikelemente angeordnet werden kann.
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5 ist
eine Längsschnittansicht,
die eine alternative Konstruktion der Bremse von 3 zeigt, mit
konischen Wänden
zur Verstärkung
der Wanderung des steuerbaren Materials weg von der Welle und die
außerdem
eine alternative Dichtungs- und Lagerkonstruktion zeigt.
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6 ist
eine Querschnittsansicht längs
der Linie VI-VI in 5, die darstellt, wie eine Verbindung zwischen
einem Rotor und einer Welle hergestellt werden kann und wie zwischen
dem Rotor und der Welle ein Spiel ermöglicht und benutzt werden kann.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Unter
Bezug auf die Zeichnungsfiguren ist festzustellen, daß gleiche
Teile in den einzelnen Ansichten mit denselben Bezugsziffern versehen
sind, wobei 1 eine Bremse des allgemeinen
Typs zeigt, der im Zusammenhang mit der Erfindung benutzt werden
kann. Die in 1 gezeigte Bremse ist eine Stammspulenbremse.
Die folgende Beschreibung ist so zu verstehen, daß, obgleich
der Begriff "Bremse" dazu dient, die
Ausführungsformen
der Erfindung zu beschreiben, die Erfindung allgemein eine ein Drehmoment
erzeugende Vorrichtung ist, die in Abhängigkeit von den durch die
Vorrichtung 11 empfangenen oder erzeugten Signale ein dämpfendes oder Widerstandsdrehmoment
bewirkt. Zum Zwecke der Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung wird
das feldsteuerbare Material als ein freifließendes Material mit Teilchen
dargestellt, die wahllos in dem ganzen Trägermedium verteilt sind. Es
wird jedoch darauf hingewiesen, daß das feldsteuerbare Medium
auch von einem kompakten Material gebildet werden kann, in dem die
Teilchen in Bezug auf die benachbarten Teilchen fixiert sind.
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Die
Bremse 11 weist ein Gehäuse 13 auf, das
mit einer ersten Kammer 15 versehen ist, die einen Rotor 21 drehbar
aufnimmt. Wahlweise ist eine zweite Gehäusekammer 17 vorgesehen
und die Kammer kann irgendeine Kombination von Steuerelektronikelementen
und Steuereinrichtungen enthalten, zu denen beispielsweise Sensoren
für die
Verschiebung oder die Geschwindigkeit des Rotors 21 gehören, des
weiteren ein Verstärker
zur Erhöhung des
Niedrigstromsignals, das an den Feldgenerator 31 abgegeben
wird, des weiteren Steuerungen für die
Kommunikation mit einem Fahrzeuglenker oder einer dritten Partei,
die von der Bremse entfernt angeordnet ist, und schließlich eine
Kommunikationseinrichtung zur Erleichterung einer solchen externen
Kommunikation. Derartige Steuerelektronikelemente und Steuervorrichtungen
werden schematisch in 1 dargestellt und sind dort
mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet. Die Steuerelektronikelemente dienen
zur Überwachung
und/oder zur Steuerung des Betriebs der Vorrichtung 11.
Die Bremse der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Anordnung der Steuerelektronikelemente
und Vorrichtungen im Bremsengehäuse
anstelle von externen Plätzen
in Bezug auf die Bremse. Dies führt
zu einem kompakten Bremsenpaket, wobei anzunehmen ist, daß die Anordnung
der empfindlichen Steuerelektronikelemente und Steuervorrichtungen
im Inneren die Elektronikelemente und Vorrichtungen besser vor Schmutz
und Teilchenstaub schützt
als die gegenwärtigen
Vorrichtungen, bei denen die empfindlichen Elektronikelemente außerhalb
des Vorrichtungsgehäuses
liegen. In der folgenden Beschreibung können die Komponenten, die in
der zweiten Gehäusekammer
angeordnet sind, ganz allgemein beispielsweise als "elektronische Elemente" oder "Steuerelektronik" bezeichnet werden,
wobei jedoch darauf hinzuweisen ist, daß dieser Begriff keine Beschränkung bilden
soll und die Erfinder nicht auf allein elektronische Vorrichtungsarten
beschränkt
werden wollen. Im Gegenteil, der Begriff, der sich auf die in der zweiten
Kammer angeordneten Vorrichtungen und Komponenten bezieht, soll
allgemeiner verstanden werden und jede geeignete Einrichtung umfassen, die
zur Steuerung und Überwachung
des Betriebs der Vorrichtung geeignet ist, wobei solche Einrichtungen
aus elektronischen Vorrichtungen und/oder mechanischen Komponenten
bestehen können.
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Der
Rotor 21 ist scheibenförmig
und wird auf einer Welle 23 in dem Gehäuse 13 so getragen,
daß er
sich in der Gehäusekammer 15 drehen
kann. Der Rotor weist erste und zweite Oberflächen und einen Außenumfang
auf. Die Oberflächen
sind in der Nähe des
Außenumfangs
mit Arbeitsteilen versehen, und zwar in Bereichen auf der Oberfläche des
Rotors, auf die das magnetische Feld einwirkt. Die Arbeitsoberfläche ist
in 1 mit 42 bezeichnet. Eine typische Magnetflußlinie 37,
die zu dem einwirkenden Magnetfeld gehört, ist in 1 gestrichelt
dargestellt.
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Das
Bremsengehäuse 13 weist
ein offenes Ende auf, wo die erste Kammer 15 liegt, und
das offene Gehäuseende
und die Kammer werden durch die Schließplatte 19 verschlossen
und abgedichtet. Diese erste Kammer enthält ein Volumen an feldsteuerbarem
Material 41 und elektromagnetische Feldgeneratoren 29.
Die Feldgeneratoren weisen beispielsweise bei einer Konfiguration
eine Spule 31 und Polstücke 33 auf.
Bei Aktivierung erzeugt der Magnetfeldgenerator 29 einen
magnetischen Fluß 37.
In 1 ist der magnetische Fluß 37 nur auf der einen Seite
des Rotors dargestellt. Das Magnetfeld wirkt jedoch toroidal rund
um die Längswellenachse
und entlang der gesamten Arbeitsoberfläche 42, in der Nähe des Außenumfangs
des Rotors. Das Vorhandensein des Magnetfeld bewirkt, daß sich das
auf das Feld reagierende Material 41 hinsichtlich seiner
Rheologie ändert,
was zu der Entwicklung einer höheren
Feldanspannung führt,
die überschritten
werden muß,
um das Einsetzen der Scherung des feldempfindlichen Materials zu
bewirken. Typischerweise kehren die Teilchen in Abwesenheit eines
Magnetfeldes in einen unorganisierten oder frei verteilten Zustand
zurück, und
die scheinbare Viskosität
oder der Scherflußwiderstand
des Gesamtmaterials 41 wird entsprechend verkleinert. Durch
Aktivieren des Magnetfeldes wirkt das Material 41 auf den
Arbeitsteil 42 des Rotors 21 dahingehend, daß seine
Drehbewegung gehemmt wird. Die Schraffur, die das Material 41 schematisch in 1 darstellt,
ist in 1 organisiert gezeigt, und die organisierte Anordnung
der Teilchen ist ein Ergebnis der Einwir kung des Feldes 37.
Man kann erkennen, daß die
drehbare Lagerung der Welle durch die Lager 35 geschaffen
wird, die als Kugellager dargestellt sind, jedoch auch irgendeine
andere geeignete Lagerform aufweisen können, die die Welle 23 drehbar
tragen kann.
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Um
das feldsteuerbare Material 41 in der ersten Kammer 15 zu
erhalten, ist eine herkömmliche Dichtung 27 vorgesehen,
die das Material 41 in der Kammer 15 zwischen
der Platte 19 und dem Polstück 33 einschließt. Die
Dichtung kann von irgendeinem geeigneten Dichtungskörper gebildet
werden, der das Austreten von Material aus seinem verlangten Ort
in die Kammer 15 verhindert.
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Die Überwachungs-
und Steuerungselektronik und Vorrichtungen 25, die in der
zweiten Kammer 17 angeordnet sind, können vielfältige Teile sein, beispielsweise
eine rotierende Scheibe, deren Lage durch einen Sensor ermittelt
wird, welcher innerhalb der Wände
der Kammer 17 fest angeordnet ist. Der Sensor kann entweder
mit der Welle 23 in Berührung stehen
oder nicht. Eine derartige Scheibe kann auf der Welle beispielsweise
durch eine Zwischenhülse 39 gelagert
sein.
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Bei
der Bremsenkonfiguration 11 liegt der erzeugte magnetische
Fluß 37 im
wesentlichen lotrecht zu der Oberfläche 42 des Rotors 21,
der bei dieser Ausführungsform
als Scheibe gezeigt ist, und der magnetische Fluß läuft im wesentlichen parallel
zu der Welle 23, wenn der Fluß sich durch das feldsteuerbare
Material erstreckt.
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Bei
der in 1 gezeigten Bremse werden die Scheibe oder der
Rotor 21 von der Welle 23 an dem einen Wellenende
getragen. Indem der Rotor 21 auf diese Weise getragen wird,
steht ein wesentlicher Teil der Wellenlänge zum effektiven Tragen anderer Komponenten
und Systeme der Bremse 11 zur Verfügung. Die Lager 35 sind
längs der
Wellenlänge
positioniert und in einem Axialabstand nebeneinander gelegen, der
erforderlich ist, um den Rotor stabil zu halten. Eine derartige
Lagerpositionierung und Ausrichtung sowie Anordnung führt dazu,
daß durch
das Gehäuse 13,
die Lager 35 und Polstücke 33 eine Kammer
gebildet wird, in der verschiedene Sensoren, elektronische Elemente
und andere Systeme angeordnet werden können. Als Folge dessen stellt
die Bremse 11 ein kompaktes, integriertes Gebilde dar, das
im allgemeinen den gewünschten
mechanischen Rotor 21 und die Welle 23, feldempfindliches
Material 41, den Feldgenerator 29 und Monitor
sowie die Steuerelektronikelemente bzw. -sensoren 25 aufweist.
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Dadurch,
daß der
Magnetfeldgenerator 29 längs der einen Seite des Rotors 21 liegt,
lassen sich zusätzliche
Kombinationen aus Rotor 21 und Feldgenerator 29 an
dem Rotor 21 anordnen, wie in 1 gezeigt.
Eine beliebige Anzahl zusätzlicher
Rotoren und Feldgeneratoren kann vorgesehen werden, um die passende
Dopplung der magnetischen Feldgeneratoren 29 zu schaffen,
wodurch sich eine Bremsenkonfiguration mit vielen Scheiben ergibt,
die für
einen gewünschten
Anwendungsfall geeignet ist. Eine derartige Bremsenkonfiguration
mit mehreren Scheiben und Generatoren ist in 1 nicht
gezeigt. Eine solche alternative Konfiguration würde zu einer Verdopplung der
Anordnung der Rotoren 21 und Generatoren 29 in 1 führen, und
zwar in mehrfachen Wiederholungen in Richtung der Endplatte 19.
Ein weiterer Vorteil der ersten Ausführungsform der Bremse 11 besteht
darin, daß dann,
wenn mehrere Rotoren vorgesehen werden, die integrierte Anordnung
in der radialen Scheibenrichtung kleiner gemacht werden kann und
damit für
spezielle Anwendungsfälle
geeigneter wird, in denen kleinere Bremskonfigurationen verlangt
werden.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
einer Bremse. Die zweite Ausführungsform
einer Magnetbremse 51 weist viele Elemente der in 1 gezeigten
Bremse 11 auf. Diese alternative Ausführungsform einer Bremse 51 ist
mit einem Gehäuse 53 versehen,
das die Kammer 55 zur Aufnahme von integrierten Elektronik-/Sensorelementen 59 bildet
sowie die Kammer 57 für
die Aufnahme des Rotors 71. Ähnlich der in 1 gezeigten
Ausführungsform
ist eine Endplatte 19 zum Verschließen und Abdichten der Kammer 57 vorgesehen.
Obgleich die Platte im wesentlichen eben dargestellt ist, kann die
Platte auch Teile aufweisen, welche sich im wesentlichen lotrecht
zu der Platte erstrecken und um das Gehäuse gewickelt sind. Kugellager 67 dienen
zum Tragen der Welle 69, und die herkömmliche Dichtung 87 verschließt die erste
Kammer 57, um dadurch zu verhindern, daß auf das feldansprechende
Material 85 aus der Kammer 57 in Richtung auf
die Lager 67 austritt. Bei dieser alternativen Ausführungsform
ist der Rotor 71 an dem einen Ende der Welle 69 angebracht
und dreht sich mit der Welle. Der Rotor ist nicht auf eine scheibenförmige Konfiguration
beschränkt, wie
aus der nachfolgenden Diskussion in Verbindung mit den 3 und 5 ohne
weiteres hervorgeht.
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Wie
im Falle von 1 kann auf der Welle 69 eine
Hülse 65 befestigt
werden, und die Überwachungs-
und Steuerungselektronikelemente/Sensor 69 sind in größerem Detail
als beispielsweise aus den beiden Teilen 61 und 63 bestehend,
schematisch dargestellt. Ein erster Teil 61 kann in dem
Gehäuse festliegen
und nicht mit der Hülse 65 in
festem Eingriff stehen. Der erste Teil 61 weist Überwachungs-
und Steuerelektronikelemente auf sowie Sensoren und/oder Detektoren.
Der Teil 63 kann beispielsweise eine rotierende Scheibe 52 sein,
die auf der Hülse 65 gelagert
ist und deren Drehbewegung durch Sensoren festgestellt wird, die
auf dem fixen Teil 61 angebracht sind. Somit läßt sich
die Drehung der Welle 69 und des Rotors 71 feststellen,
um die richtige Steuerung des elektromagnetischen Feldgenerators 73 zu ermöglichen.
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Bei
der Bremse 51 gemäß zweiter
Ausführungsform
kann der elektromagnetische Feldgenerator 73 eine Elektromagnetspule 75 sowie
eine Polstückkonfiguration
aufweisen, die sich geringfügig von
der der Konfiguration von 1 unterscheidet. Unter
Bezug auf 2 ist festzustellen, daß die Polkonfiguration
einen ersten, sich in radialer Richtung erstreckenden Polteil 77 und
einen zweiten, sich in axialer Richtung erstreckenden Polteil 79 aufweist. Der
zweite Polteil erstreckt sich axial zwischen dem radial verlaufenden
Polteil 77 und der Platte 19. Entsprechende Spalten 74 und 76 trennen
den äußeren Umfang
des Rotors 71 und den zweiten Polteil 79 sowie
die Arbeitsoberfläche 42 und
den ersten Polteil 77. Sobald die Spule 75 mit
einem Strom gespeist wird, wird der Feldgenerator aktiviert, um
dadurch den Magnetfluß 81 zu
erzeugen, der in 2 gestrichelt dargestellt ist
und der auf das feldempfindliche Material einwirkt, welches die
Kammer 57 und die Spalten 74 und 76 füllt. Das
Feld 81 verändert
die Rheologie des Materials, wodurch das Material veranlaßt wird,
auf den Außenumfang
des Rotors und die Oberfläche 42 einzuwirken
und dadurch den Bewegungswiderstand des Rotors 71 zu erzeugen.
Wie die Bremse 11 von 1 kann die
Bremse 51, obgleich der einzelne Rotor 71/Generator 73-Kombination in 2 dargestellt
ist, aus einer beliebigen Anzahl Rotor-/Generator-Kombinationen
bestehen, die erforderlich ist, um die notwendigen Bremskräfte zu liefern.
Die Vorteile, die mit der ersten Ausführungs form der Bremse, die
im obigen erläutert
worden ist, verbunden sind, werden auch bei der zweiten Ausführungsform
der Bremse 51 erreicht.
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Eine
dritte Ausführungsform
einer Bremse, die die in der vorliegenden Anmeldung beanspruchten
Merkmale aufweist, ist in 3 dargestellt
und ganz allgemein mit dem Bezugzeichen 101 bezeichnet.
Die Bremse 101 weist ein hohles, zylindrisches Gehäuse 103 auf,
das eine erste Kammer 113 zur Aufnahme eines Rotors 107 bildet,
der sich in dem Gehäuse
um die Achse 99 dreht, sowie eine zweite Kammer 111,
die die überwachenden
und/oder steuernden Elektronikelemente 115 in der oben
beschriebenen Weise aufnimmt. Die erste Kammer beinhaltet außerdem eine
Menge eines feldempfindlichen Materials 135. Der Rotor
ist ein trommelförmiger
Rotor, der einen im wesentlichen I-förmigen Querschnitt aufweist
mit einem breiten äußeren, ringförmigen Umfangsteil 108,
der mit einem schmalen Steg 112 verbunden ist. Der Rotor 107 ist
in herkömmlicher Weise
an dem einen Ende der Welle 105 befestigt, das wiederum
durch die Lager 133 auf der Wellenlänge und im allgemeinen im Zusammenhang
mit den Bremsen 11 und 51 der ersten und zweiten
oben beschriebenen Ausführungsformen
getragen wird. Das Verschließen
der Platte 109 dient zur Abdichtung und zum Schließen des
einen Endes des Gehäuses 103. Die
Platte 114 verschließt
und dichtet das entgegengesetzte Gehäuseende. Der Rotor kann irgendeinen geeigneten
Querschnitt haben, und zu anderen passenden Konfigurationen können beispielsweise
ein C-förmiger
Querschnitt und L-förmiger Querschnitt gehören.
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Die Überwachungs-
und/oder Steuerelektronik 115 kann bei einer beispielsweisen
Ausführungsform
eine Kombination aus rotierenden Scheiben aufweisen, auf denen sich
geeignete Kerben oder andere feststellbare Zeichen befinden. Die
rotierenden Scheiben 117 können auf einer Hülse 118 sitzen,
die auf der Welle 105 befestigt ist. Ein Teil Komponenten 119 der
Elektronikelemente 115 können in der Kammer 111 so
festliegen, daß die
Komponenten die Hülse
umgeben und nicht mit der Hülse 118 in
Berührung
treten. Auf diese Weise drehen sich die Komponenten 119 nicht
mit der Hülse 118.
Sensoren oder Bürsten,
die schematisch bei 121 dargestellt sind, können auf
dem Körper 119 angebracht
sein, um die Relativdrehung der Scheibe 117 festzustellen.
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Bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Dichtung 132,
die dazu dient, die Wanderung des Materials 135 aus der
ersten Kammer 113 in die zweite Kammer 111 zu
verhindern, in der Lagertragplatte 116 angeordnet. Eine
solche geeignete Dichtung kann die Dichtung sein, die in der Beschreibung der
ersten und zweiten Bremsenausführungsform
offenbart ist. Die geeignete herkömmliche Dichtung kann in der
Lagertragplatte 116 oder in den Lagern 133 getragen
werden. Ein Ummantelungsring 120 ist zwischen den Platten 114 und 116 angeordnet.
Der Ummantelungsring 120 umschließt zusammen mit den Platten 114 und 116 die
Fühlereinrichtung 115 in der
Kammer 111.
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Zurückkommend
auf den Rotor 107 der Bremse 101 gemäß dritter
Ausführungsform
ist festzustellen, daß der
Rotor 107 nicht im wesentlichen scheibenförmig ist ähnlich den
vorher beschriebenen Scheiben 21 und 71. Wie aus 3 hervorgeht,
liegt der vergrößerte Umfangsteil 108 des
Rotors in der Nähe
der elektromagnetischen Spule 125 des Feldgenerators, der
ganz allgemein bei 123 gezeigt ist. Wie durch das durch
Punktierung gekennzeichnete feldempfindliche Material 135 gezeigt,
trennt ein Ringspalt 122 den Teil 108 und den
Feldgenerator, und der Spalt 122 ist im wesentlichen mit
einem Volumen des feldempfindlichen Materials 135 gefüllt. Das
Magnetfeld, das von dem Feldgenerator 123 erzeugt wird,
erstreckt sich durch das Material 135 und den Teil des
Rotors hindurch, der mit 108 bezeichnet ist. Das Magnetfeld
wird durch das Magnetfeld 129 dargestellt, das in 3 gestrichelt
zu sehen ist.
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Der
Magnetfeldgenerator 123 weist ganz allgemein eine Elektromagnetspule 125 und
Polstücke 127 auf,
die zusammen einen elektromagnetischen Fluß erzeugen, der durch gestrichelte
Feldlinien 129 dargestellt wird, welche sich durch das
Material 135 hindurch in eine Richtung erstrecken, die
im wesentlichen lotrecht zur Welle 105 und zum Umfang des Rotors 107 verläuft. Wie
aus 3 ersichtlich, ist der Feldgenerator radial außerhalb
des Rotors 107 angeordnet.
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Die
Bremse 101 der dritten Ausführungsform weist eine zurück zur Mitte
wirkende Vorrichtung auf, beispielsweise eine Torsions- oder Torsionsmittenrückführfeder 131,
die in der ersten Gehäusekammer 113 angebracht
ist. Andere Mittenrückführvorrichtungen
können
elastische Schnüre
oder andere Arten elastischer Komponenten aufweisen. Im allgemeinen ist
die geeignete Mittenrückführvorrichtung
irgendeine Einrichtung, die Energie speichert, wenn der Rotor und/oder
die Welle aus einer Mitte oder einer Ausgangsposition oder Ausrichtung
verschoben wird und dann bei einer bestimmten Verschiebung die gespeicherte
Energie freisetzt, um den Rotor und die Welle zu der Ausgangssituation
zurückzuführen. Die
spezielle Verschiebung, die zu einer Freisetzung der gespeicherten
Energie führt,
kann beispielsweise darin bestehen, daß die Betriebsperson die Welle
oder den Rotor freigibt und die Welle oder der Rotor eine maximale
Winkelverschiebung erreicht. Die Torsionsrückführfeder 131 nimmt
typischerweise einen torsionsfreien Zustand in der Mittellage einer
Einrichtung ein, zu der die Bremse 101 gehören kann,
beispielsweise ein Lenkrad in der Mittellage der Einrichtung. Der
Mittenrückführkörper ist
gewöhnlich
an seinem Ende sowohl an dem Rotor 107 als auch der Endplatte 109 fixiert,
so daß beim
Drehen der Einrichtung, der die Bremse zugeordnet ist, beispielsweise
beim Drehen eines Rades, ein sich zunehmend vergrößerndes
Rückkehrdrehmoment
zur Mittellage ausgeübt
wird. Die Mittenrückführeinrichtung
kann eine Anzahl Vorrichtungen und Befestigungsanordnungen aufweisen.
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4 zeigt
die Bremse 201 einer vierten Ausführungsform, die der Bremse 11 der
ersten Ausführungsform ähnlich ist.
Bei der Bremse der vierten Ausführungsform
weist das Bremsengehäuse 203 eine
erste Kammer 215 auf, in der sich ein Rotor 219 befindet,
der dort drehbar gelagert ist und der an dem einen Ende der Welle 209 fest
angebracht ist. In der Kammer 215 befindet sich ein Volumen
eines feldempfindlichen Materials 217. Eine herkömmliche Dichtung 213 dichtet
die Kammer 215 ab, so daß verhindert wird, daß das feldempfindliche
Material aus der Kammer 215 entweicht. Eine Platte 207 verschließt die Kammer 215,
nachdem die Bremse 201 vollständig zusammengebaut ist. Lager 211 tragen die
Welle 209 an dem Wellenende, das von dem Ende abgelegen
ist, das einen Rotor 219 aufnimmt. Das Gehäuse 203 bildet
auch eine zweite Kammer 205 zur Aufnahme der Überwachungs-
und Steuerelektronik und diesbezüglichen
Einrichtungen. Die Steuereinrichtung wird schematisch dargestellt
und ist in 4 mit dem Bezugszeichen 229 versehen. Eine
Torsionsrückführfeder 231 kann
in der zweiten Kammer 205 vorgesehen werden, die an den
Federenden mit einer Innenwand der zweiten Kammer 205 und
mit einer Hülse 232 verbunden
ist, auf der auch Teile der Steuereinrichtung 229 gelagert
sein können,
so daß sie
sich mit ihr drehen. Die Hülse kann
mit der Welle 209 drehfest verbunden sein.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform weist der Magnetfeldgenerator 221 ein
ringförmiges Polstück 225 auf,
das einen U-förmigen
Querschnitt hat, und eine Elektromagnetspule 223 ist in
dem offenen Teil des Polstücks
und radial außerhalb
des Außenumfangs
des scheibenförmigen
Rotors 219 und neben diesem angeordnet. Das Polstück 225 kann zur
Vereinfachung der Montage und der Herstellung separate Polstücke aufweisen.
Wie aus 4 ersichtlich, erstrecken sich
die Schenkel und Seitenteile der Pole 225a und 225b in
Richtung auf die zentrale Längsachse
der Drehung der Welle 209 und neben die Rotorarbeitsoberflächen 219a und 219b.
Spalten trennen die Polstückschenkel 225a, 225b und
den Elektromagneten 223 von dem Rotor 219, und
das feldempfindliche Material 217 füllt im wesentlichen die Spalten.
Die magnetische Flußlänge 227,
die in 4 gestrichelt dargestellt ist, bewirkt, daß sich die Rheologie
des Materials 217 ändert,
wodurch eine das Drehmoment dämpfende
Kraft erzeugt wird, die auf die Arbeitsoberflächen 219a, 219b des
Rotors 219 einwirkt, um ihre Drehung zu bremsen.
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Eine
Bremse 301 einer fünften
Ausführungsform
ist in 5 gezeigt und diese Bremse der fünften Ausführungsform
ist ähnlich
der Ausführungsform
von 3.
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Die
Bremse der fünften
Ausführungsform weist
ein Gehäuse 303 auf,
das mit einer Kammer 305 zur Aufnahme einer Steuereinrichtung
versehen ist, beispielsweise einer integrierten Steuerelektronik oder
integrierter Steuereinrichtungen, und diese Teile sind schematisch
mit 311 bezeichnet. Die Welle 309 erstreckt sich
durch die zweite Kammer 305 und in eine erste Kammer 307 hinein,
und der Rotor 315 wird auf dem Wellenende in der ersten
Kammer 307 getragen. Die Kammer 307 ist an den
axialen Enden durch Platten 351 und 371 verschlossen
und abgedichtet. Bei der fünften
Ausführungsform
der Erfindung ist der Rotor 315 ein "trommelartiger" Rotor, ähnlich dem Rotor, der in der
dritten Ausführungsform
in 3 dargestellt ist. Der Rotor weist einen breiten,
ringförmigen äußeren Umfang
auf, der durch einen relativ schmalen Steg verbunden ist. Die Welle 309 wird
von zwei Lagern 313, die für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung her kömmliche "Trockenwellen"-Lager sind, welche
eine geeignete Alternative zu den Kugellagern in den vorhergehenden
Ausführungsformen
sind, vom Rotor abgelegen drehbeweglich getragen. Bei dieser fünften Ausführungsform der
Erfindung wird die Welle 309 in geeigneter Weise abgestützt, so
daß sie
Axialbelastungen aufnehmen kann und eine Axialbewegung der belasteten
Welle verhindert wird. Für
das Drucklager 317 wird ein herkömmliches Drucklager bekannter
Konstruktion auf der Welle 309 zwischen dem Rotor 315 und
dem Lager 313 zur Aufnahme der axialen Wellenbelastungen
benutzt.
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Der
Magnetfeldgenerator 350 ist radial außerhalb des Außenumfangs
des Rotors 315 angeordnet. Der Feldgenerator weist ringförmige Polstücke 327 auf,
die eine Elektromagnetspule 325 umschließen, die
zusammen mit dem feldempfindlichen Material 319 und dem
Rotorumfang einen elektromagnetischen Fluß erzeugt, der durch die in 5 gestrichelt
dargestellten Flußlinien 329 gekennzeichnet ist.
Wie aus 5 ersichtlich, befindet sich
das feldempfindliche Material in dem Ringspalt, der den Außenumfang
des Rotors und den Feldgenerator trennt.
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Bei
der Bremse 301 der fünften
Ausführungsform
weisen die Platten 351 und 371, die die axialen
Enden der Kammer 307 verschließen, konische Innenwände 331 bzw. 333 auf.
Wie aus 5 hervorgeht, verjüngen sich
die Wände
ganz allgemein von der Drehachse 373 nach außen. Auf
diese Weise wird die Kammer zunehmend schmaler, je kleiner der Abstand
von der Achse wird und umgekehrt, die Kammer wird zunehmend breiter,
je mehr sich der Abstand von der Achse vergrößert. Die maximale axiale Abmessung
der Kammer tritt in der Nähe
des Außenumfangs
des Rotors und Feldgenerators 350 auf. Als Folge der beschriebenen
Kammerverjüngung
läßt sich
die Schubstärke
des feldempfindlichen Materials im wesentlichen konstant halten
oder steigern, je größer der
Abstand von der Achse wird, und die axiale Kammerabmessung nimmt
ab, so daß die
Abwanderung des steuerbaren Materials 319 in Richtung des
Pfeils 335, von den Dichtungen 321 weg, gefördert wird.
Die Dichtung 321 kann bei dieser Ausführungsform die Form von V-Dichtungen
haben, welche einen materialfreien Bereich zwischen einer Verlängerung
der Dichtung 321 schafft, der sich gegen die Oberfläche des
Rotors 315 verschiebt, wenn sich der Rotor dreht, so daß verhindert
wird, daß Material
das Lager 313, in diesem Fall also daß sich Trockenwellenlager 313, berührt. In
diesem Bereich können
auch andere Flächendichtungs-
und Lippendichtungskonfigurationen Verwendung finden. In gleicher
Weise erzeugt die gezeigte Grubenstruktur 314 einen gewundenen
Pfad, der bestrebt ist, das Material von den Dichtungen 321 entfernt
zu halten.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht längs der
Linie 6-6 in 5 und stellt eine Anordnung
zur Verbindung der Welle 309 und des Rotors 315 dar. Wie
aus 6 ersichtlich, ist die Welle 309 im Bereich
des Rotors 315 als Rechteck ausgebildet, das zu einer viereckförmigen Öffnung im
Rotor paßt.
Bei einer solchen Konfiguration besteht die Möglichkeit, daß zwischen
der Welle 309 und dem Rotor 315 ein relativer
Schlupf oder ein relatives Spiel stattfindet. In einigen Fällen kann
erwünscht
sein, daß ein
solcher Schlupf oder ein solches Spiel stattfindet. Wenn beispielsweise
die Vorrichtung, der die Bremse zugeordnet wird, ihren Bewegungsendpunkt
erreicht hat und das elektromagnetische Feld in voller Stärke vorhanden
ist, so kann der Schlupf oder das Spiel verlangt werden, um eine
relativ kleine Bewegung der Welle 309, ohne daß die Bewegung
des Rotors festgestellt wird, durch einen Sensor der Steuereinrichtung
festzustellen, der auf eine Verringerung des elektromagnetischen
Feldes schaltet, um dadurch einer Betriebsperson zu ermöglichen,
die zu der Bremse gehörige
Einrichtung aus der Bewegungsendposition heraus zu bewegen. Auf
diese Weise kann die Einrichtung aus der Bewegungsendposition entfernt werden,
ohne daß zunächst die
zugehörige
starke Materialhubspannung verbunden worden ist, die am Ende der
Bewegungsbahn auftritt. Obgleich eine quadratische Anordnung dargestellt
ist, versteht es sich, daß andere
Konfigurationen, so beispielsweise ein genuteter, kreisrunder Querschnitt
möglich
sind, beispielsweise genutete Eingriffsoberflächen auf dem Rotor für eine mit
einem Keil versehene Welle, die dimensionsmäßig geringfügig nicht zusammenpassen, jedoch
eine ähnliche
Funktion erfüllen,
wie auch andere Anordnungen, die den auf diesem Gebiet tätigen Fachleuten
ohne weiteres einleuchten.
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Wie
ebenfalls leicht erkennbar für
den Durchschnittsfachmann, können
verschiedene Merkmale und verschiedene Ausführungsformen ausgetauscht werden,
so daß sie
sich für
die jeweilige Konfiguration eignen, indem eine Bremse geschaffen
wird, bei der der Rotor durch eine Welle nur auf der einen Seite
getragen wird und zwei Lager zur Verfügung stehen, um die Wel le zu
tragen. In allen Fällen
kann ein Hohlraum geschaffen werden, bei dem in einem Gehäuse verschiedene
Sensoren, Steuervorrichtungselektronikelemente und andere Teile,
die das System erfordert, in einer integrierten Packung aufgenommen
werden können.
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Somit
wurde eine verbesserte Bremse mit feldempfindlichem Material gezeigt
und beschrieben. Es versteht sich jedoch für den auf diesem Gebiet tätigen Durchschnittsfachmann,
daß viele Änderungen, Variationen,
Modifikationen und andere Nutzungsarten und Anwendungen für die beschriebene
Erfindung möglich
sind und all diese Änderungen,
Variationen, Modifikationen und anderen Nutzungsarten und Anwendungen
nicht von den folgenden Ansprüchen
abweichen.