DE69115122T2

DE69115122T2 - Magnetisches Bremssystem und Spannungssteuerung unter Verwendung desselben.

Info

Publication number: DE69115122T2
Application number: DE69115122T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Maji; Hajime Nakamura; Hikaru Okuno
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 1990-04-25
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1996-06-20
Anticipated expiration: 2011-04-24
Also published as: EP0458465A3; US5234177A; EP0458465A2; DE69115122D1; EP0458465B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifif eine magnetische Bremsvorrichtung und insbesondere eine Verbesserung der magnetischen Bremsvorrichtung, um die Erkennung einer daran angelegten Last zu ermöglichen, sowie ein Spannungs- bzw. Zugspann ungssteuerungssystem des Rollendurchmesserverhältnis-Typs, bei dem die magnetische Bremsvorrichtung zum Einsatz kommt.
Beim Verfahren des Herunterlassens oder Aufnehmens einer Papier- oder Gewebebahn wird zur Verhinderung des Durchhängens oder der übermäßigen Spannung der Papieroder Gewebebahn die Spannung gesteuert, um diese konstant zu halten. Bei einem derartigen Verfahren ist eine magnetische Bremsvorrichtung mit einem Sensor, der eine Last oder ein Bremsdrehmoment messen kann, sehr vorteilhaft.
Eine elektromagnetische Pulverbremse des Stands der Technik als in einem Spann ungssteuerungssystem eingebaute magnetische Bremsvorrichtung ist z.B. in Fig. 1 dargestellt.
Bezug nehmend auf Fig.1 stellen ein sich über den Umfang erstreckendes Joch 1 und eine Erregerspule 2, die in einer ringförmigen Ausnehmung des Jochs 1 aufgenommen ist, einen Feldkörper oder einen elektromagnetischen Abschnitt dar, der ein Magnetfeld erzeugt. Ein hinterer Träger 3 und ein vorderer (Eingangsseiten-) Träger 4 tragen den Feldkörper, der durch eine an einer Basis 4b befestigte Strebe 4a stationär ist. Ein Zylinder 7 mit einer Seitenplatte 5 ist an einer Antriebswelle 6 befestigt, die drehbar durch Lager 9 abgestützt ist. Eine äußere periphere Wand des Zylinders 7 ist durch einen Unterbrechungsring 8 aus nichtmagnetischem Material in zwei Teile unterteilt. Ein stationärer Rotor 10 ist am hinteren Arm 3 befestigt. Ein magnetisches Pulver 11 ist abgedichtet in einem Luftspalt zwischen einer peripheren Außenfläche des Rotors 10 und einer peripheren Innenfläche des Zylinders 7 angeordnet.
Beim Betrieb entsteht bei der Erregung der Spule 2 durch Gleichstrom ein Magnetfluß, der entlang eines durch die Punktlinie dargestellten Pfads vom Joch 1 zum Zylinder 7 zum Magnetpulver 11 zum Rotor 10 zum Magnetpulver 11 zum Zylinder 7 und zum Joch 1 fließt. Als Ergebnis wird das Magnetpulver 11 durch den Magnetfluß magnetisiert und Teilchen des Magnetpulvers 11 bilden Ketten und werden fest, sodaß eine Bremskraft vom stationären Zylinder 7 zur Antriebswelle 6 durch das Magnetpulver 11 angelegt wird. Diese Bremskraft entspricht der Größe des an die Erregerspule 2 angelegten Stroms, und die Bremswirkung erfolgt mit einem zwischem dem Zylinder 7 und dem Rotor 10 erzeugten Schlupf.
In der magnetischen Bremsvorrichtung des Stands der Technik ergeben sich jedoch die folgenden Probleme.
Da die Bremsvorrichtung des Stands der Technik nicht mit einem Gerät zum Erkennen eines Bremsdrehmoments oder zum Erkennen einer an die magnetische Bremsvorrichtung angelegten Last ausgestattet ist, ist es notwendig, getrennte Drehmomentmeßgeräte oder eine Lasterkennungsvorrichtung zu verwenden, wenn die Messung des Bremsdrehmoments oder der Last erwünscht ist.
Da die magnetische Bremsvorrichtung wie z.B. eine elektromagnetische Pulverbremse in einem automatischen Steuerungssystem eingebaut ist, das eine hohe Genauigkeit erfordert und ein Zugspannungssteuerungssystem enthält, ist es unerläßlich, das Drehmoment oder die Last zu erkennen, um für eine Regelung zu sorgen.
Um in der magnetischen Bremsvorrichtung des Stands der Technik die oben angeführten Bedingungen zu erfüllen, muß ein Lasterkennungsgerät o.dgl. getrennt angeordnet sein; die dafür notwendigen Einrichtungen sind groß und kostspielig.
Zur Läsung der obigen Probleme ist ein Vorschlag der Anmelderfirma in JP-A-57-56687 geoffen bart. In dieser Triebkraftmeßvorrichtung mit einer elektromagnetischen Pulverbremse (siehe Figuren 2 und 3) wird eine elektromagnetische Pulverbremse 51 durch einen nicht dargestellten zu messenden Antriebsmotor, z.B. durch einen nicht dargestellten Elektromotor, angetrieben und absorbiert durch den Antriebsmotor erzeugte Triebkraff. Die elektromagnetische Pulverbremse 51 enthält eine Drehwelle 52, einen an der Drehwelle 52 befestigten Rotor 53 mit einem im wesentlichen T- förmigen Längsschnitt in seinem Hälftenteil, sowie nichtmagnetische Ringe 54, 54, die zwei Hälften eines zylindrischen Abschnitts des Rotors 53 bilden. Ein Stator 55 (der auch - wie dies weiter unten beschrieben ist - drehbar ist) enthält Außenjoche 56, 56, Innenjoche 56', 56', Erregerspulen 57, 57, Verbindungsringe 58, 58 zur Verbindung der Außen- und Innenjoche 56 bzw. 56' und einen Kupplungsring 59. Der Stator 55 ist drehbar durch am Stator 55 befestigte Trägerelemente 60, 60, Lagergehäuse 61, 61, den Stütztisch 62 und Lager 63, 63 abgestützt. Lager 64, 64 tragen den Rotor 53 und die Drehwelle 52 in drehbarer Weise in bezug auf den Stator 55. Magnetische Pulver 65, 65 sind auf einer Außen- und Innenfläche des Zylinderabschnitts des Rotors 53 abgedichtet angeordnet.
Ein Drehmomentarm 70 aus Metall ist an der Außenfläche des Stators 55 befestigt und erstreckt sich in axialer Richtung radial von einem Mittelabschnitt. Ein Lastmeßwandler 66 ist zwischen dem Drehmomentarm 70 und einem Fixierungselement 68 befestigt, das an der Stützbasis 62 befestigt ist. Innerhalb eines bestimmten Bereichs und unter dem Einfluß von Zug- oder Druckspannung dehnt sich der Lastmeßwandler 66 aus bzw. zieht sich zusammen und wandelt eine Reaktionskraft in eine Last um. Daher ist die Drehung der Bremse 51 auf einen Bereich eingeschränkt, in dem der Lastmeßwandler 66 sich ausdehnen oder zusammengedrückt werden kann. Ein Tachogenerator 69 ist mit der Drehwelle 52 gekuppelt.
Beim Drehen des Rotors 53 entstehen in sich geschlossene Kreise von Magnetflüssen, wenn die Spulen 57, 57 erregt sind und es wird eine Kupplungskraff zwischen dem Stator 55 und dem Rotor 53 durch verkettete und verfestigte Magnetpulver 65, 65 erzeugt. In der Folge neigt der Stator 55 zur Drehung, doch da die Drehung des Stators 55 durch den Lastmeßwandler 66 eingeschränkt ist, der durch den Drehmomentarm 70 mit dem Stator 55 verbunden ist, wirkt eine Bremskraft äuf den Rotor 53 und somit auch auf den zu messenden Antriebsmotor. Eine Reaktionskraff dieser Bremskraft wirkt durch den Drehmomentarm 70 auf den Lastdetektor 66. Wenn demzufolge ein Ausgangssignal des Lastmeßwandlers 66 verstärkt und auf einer Lastanzeigevorrichtung (nicht dargestellt) angezeigt wird, kann die Bremskraff als Drehmoment gemessen werden, das dem Produkt der Bremskraff und einer Länge des Drehmomentarms 70 entspricht. Somit kann die Antriebskraft des zu messenden Antriebsmotors anhand der Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit der Drehwelle 52, die durch das Drehtachometer 69 ermittelt wird, und dem Drehmoment gemessen werden.
In dieser Antriebskraftmeßvorrichtung des Stands der Technik treten jedoch die folgenden Probleme auf. Da der Zweck dieser Vorrichtung darin besteht, die erzeugte Antriebskraft und nicht die Last selbst zu erhalten, ist die Genauigkeit der Lastmessung nicht sehr hoch. In der Konstruktion zur Lasterkennung wird die Bremskraff, die als Reaktionskraft vom Stator der elektromagnetischen Pulverbremse übertragen wird, einmal zum Drehmomentarm aus Metall übertragen. Dann wird die Bremskraff auf den Lastmeßwandler 66 übertragen, der durch das Befestigungselement 68 horizontal auf der Stützbasis 62 fixiert ist. Daher steigt die Zahl an Bestandteilen, und die Genauigkeit ist aufgrund der indirekten Lasterkennung niedrig. Diese Genauigkeit ist für ein Spannungssteuerungssystem zum Auslassen einer Bahn nicht zufriedenstellend.
Ein dem Stand der Technik entsprechendes Spannungssteuerungssystem des Rollendurchmesserverhältnistyps, das eine magnetische Bremsvorrichtung der oben beschriebenen Art beinhaltet, ist in Fig.4 dargestellt. Das Spannungssteuerungssystem (z.B. die Spannungssteuereinrichtung PCA-101 von Shinko Denki Kabushiki Kaisha) wird beim Heruntertassen (Abrollen) einer Bahn angewendet.
Bezugnehmend auf Fig.4 dient ein Zugspannungssteuerungssystem dazu, ein Material, z.B. eine Papier- oder Gewebebahn 100, herunterlaufen zu lassen, abzurollen oder zuzuführen, während die Spannung der Bahn eingestellt wird. Die Bahn 100 wird von einer Antriebs- oder Ablaufspule 101 herunterlaufen gelassen. Ein Drehdetektor 102 mit einer Detektorscheibe 103 und einem Nähesensor 104 ist vorgesehen. Die Detektorscheibe 103 ist koaxial an der Antriebsspule 101 befestigt und besitzt einen Vorsprung 103a auf einer Peripherie der Detektorscheibe 103. Der Nähesensor 104 erkennt das Passieren des Vorsprungs 103a und erzeugt einen Impuls für jede Drehung der Detektorscheibe 103.
Eine angetriebene Walze 105 und Klemmwalzen 106 und 107 sind entlang des Wegs der Bahn 100 angeordnet. Eine Aufnahmespule 111 ist auch vorgesehen, um die Bahn 100 aufzunehmen. Ein Impulsgenerator 108 ist mit der Klemmwalze 107 gekuppelt und erzeugt Impulse, deren Zahl der Aufnahmegeschwindigkeit der Bahn 100 entspricht. Eine Steuereinheit 109 errechnet einen Durchmesser (Walze oder Dicke) der aufgewickelten Bahn 100 - basierend auf der Dauer einer Drehung der Scheibe 103 und der Anzahl der durch den Generator 108 erzeugten Impulse während einer Drehung - und liefert basierend auf den folgenden Beziehungen zwischen dem Drehmoment, der Zugspannung und dem Durchmesser eine Erregerspannung Vf, die zur Erzielung einer vorbestimmten Zugspannung erforderlich ist, an eine Erregerspule 110a der magnetischen Bremsvorrichtung 110, z.B. einer elektromagnetischen Pulverbremse o.dgl.
Fig.5 ist ein Blockdiagramm, das die Funktionsprinzipien des Zugspannungssteuersystems des Stands der Technik einschl ießl ich des Steuereinheit 109 und der magnetischen Bremsvorrichtung 110 darstellt, worin F die Zugspannung, D der Ablaßdurchmesser und T das Drehmoment ist. Unter der Annahme, daß die Bremsdrehmomente am Anfang und am Ende des Ablaßvorgangs durch Ts bzw. Te dargestellt sind, lassen sich die Bremsdrehmomente wie folgt ausdrücken:
Ts = (Fmax x Dmax/2) x 10&supmin;³ (kgm) ...(1)
Te = (Fmax x Dmin/2) x 10&supmin;³ (kgm) ...(2) worin Fmax die maximale eingestellte Zugspannung ist und Dmax und Dmin ein maximaler Ablaßdurchmesser bzw. ein minimaler Ablaßdurchmesser sind.
Im in Fig.4 dargestellten Zugspannungssteuerungssystem des Stands der Technik, in dem die oben erwähnte magnetische Bremsvorrichtung zum Einsatz kommt, entstehen die folgenden Probleme.
Bezugnehmend auf Fig.6: wenn die Zugspannung auf einem eingestellten Wert gehalten wird, läßt sich das Drehmoment-Rollendurchmesser-Verhältnis durch eine Kurve (A) darstellen, worin das Drehmoment T proportional zum Rollendurchmesser (Durchmesser der um die Ablaßspule gewickelten Bahn) D ist. Das Bremsdrehmoment, das durch die magnetische Bremsvorrichtung 110 auf die Antriebsspule 101 wirkt, ändert sich jedoch, wie dies aus Kurve (B) ersichtlich ist. In einem Bereich, wo der Rollendurchmesser D klein ist, liegt das Bremsdrehmoment T unter dem eingestellten Wert; in einem Bereich, wo der Rollendurchmesser D groß ist, liegt das Bremsdrehmoment T über dem eingestellten Wert. Daher kann die Steuerung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Zugspannung nicht richtig ausgeführt werden. Dieser Nachteil tritt besonders deutlich zutage, wenn die elektromagnetische Pulverbremse als magnetische Bremsvorrichtung verwendet wird und die Verwendung der elektromagnetischen Pulverbremse aufgrund der erforderlichen Genauigkeit eher beeinträchtigt wird - ungeachtet der Tatsache, daß die elektromagnetische Pulverbremse ausgezeichnete Schlupfeigenschaften aufweist.
Außerdem wird in der Spannungssteuerung des Stands der Technik ein Teil des Bremsdrehmoments als mechanischer Verlust u.dgl. abgeleitet, und die Spannung erreicht keinen konstanten Wert.
Zur Lösung der obigen Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine magnetische Bremsvorrichtung mit einem Lasterkennungsmittel bereitzustellen, das das Bremsdrehmoment oder die Last problemlos und mit einer einfachen Konstruktion messen kann.
In einer erfindungsgemäßen magnetischen Bremsvorrichtung ist ein Lasterkennungsmittel, das durch eine Kraftmeßdose mit einem armförmigen, mit einer Spule umwickelten piezoelektrischen Element gebildet wird, angeordnet, um zwischen einer Außenfläche der magnetischen Bremsvorrichtung selbst und einem stationären Abschnitt außerhalb derselben eine Überbrückung darzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Außenfläche der magnetischen Bremsvorrichtung selbst eine äußere Rippe oder das Joch; alternativ dazu wird ein Befestigungselement verwendet, oder die Kraftmeßdose wird durch ein Drehgelenk befestigt.
Gemäß einem ersten Aspekt bietet die vorliegende Erfindung eine magnetische Bremsvorrichtung umfassend:
einen an einer Antriebswelle befestigten Rotor, wobei die Antriebswelle durch eine Strebe drehbar abgestützt ist;
einen den Rotor umgebenden Jochkörper mit im wesentlichen zylindrischer Form, wobei der jochkörper eine Ausnehmung aufweist, die in einem Mittelabschnitt davon über den Umfang ausgebildet ist, wobei der Jochkörper vordere und hintere Träger zum drehbaren Stützen des Jochkörpers auf einem Basisabschn itt des Rotors besitzt; und
eine in der den Rotor umschließenden Ausnehmung aufgenommene Erregerspule;
wobei der Jochkörper beim Erregen der Erregerspule eine magnetische Anziehungskraft ausübt, um den Jochkörper an den Rotor anzuziehen, um eine Bremskraft auf den Rotor auszuüben und daher die Eingangswelle zu bremsen; worin die Vorrichtung zusätzlich einen Lastdetektor umfaßt, der ein armförmiges piezoelektrisches Element und eine um dieses gewickelte Spule enthält, wobei der Detektor zwischen dem drehbaren Jochkörper und einem stationären Objekt, das in bezug auf den jochkörper stationär ist, durch ein Zwischenelement, das zwischen dem Jochkörper und dem Lastdetektor positioniert ist, integriert befestigt ist, wobei das piezoelektrische Element sein Verbiegen und die direkt in ihm erzeugte Spannung aufgrund einer relativen Bewegung zwischen dem Jochkörper und dem stationären Objekt erkennen kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt bietet die Erfindung eine Zugspannungssteuerung unter Verwendung der obigen magnetischen Bremsvorrichtung mit dem Lastdetektor, worin die magnetische Bremsvorrichtung eine Bremskraft auf eine Ablaßspule des Zugspannungssteuerungssystems ausübt.
Ein erfindungsgemäßes Spannungssteuerungssystem enthält eine Ablaßspule, einen Drehdetektor zum Erkennen der Anzahl der Drehungen der Ablaßspule, üblicherweise Klemmwalzen, einen Impuisgenerator, der mit einer der Klemmwalzen zum Erkennen der Ablaßgeschwindigkeit eines ablaufen zu lassenden Materials gekoppelt ist, sowie eine Steuereinheit. Diese wird mit Ausgangssignalen vom Drehdetektor und Impulsgenerator versorgt und errechnet den augenblicklichen Rollendurchmesser. Weiters empfängt die Steuereinheit ein Rückkopplungssignal aus dem Lastdetektor der magnetischen Bremsvorrichtung, das der durch den Lastdetektor ermittelten Spannung des ablaufen zu lassenden Materials entspricht, und erzeugt ein Fehlersignal zwischen dem Spannungssteuersignal und dem Rückkopplungssignal, um dadurch die Erregung der magnetischen Bremsvorrichtung zu steuern. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Spannungssteuerung deutlich verbessert. Wenn ein dem mechanischen Verlust entsprechendes Signal zum Spannungseinstellungssignal im vorhinein addiert wird, kann der Einfluß des mechanischen Verlusts gänzlich eliminiert werden.
Erklärung der Abbildungen:
Fig.1 ist eine Vorderansicht eines Halblängsschnitts einer magnetischen Bremsvorrichtung des Stands der Technik.
Fig.2 ist eine Vorderansicht eines Halblängsschnitts einer weiteren magnetischen Bremsvorrichtung nach dem Stand der Technik.
Fig.3 ist eine Seitenansicht eines Teils der magnetischen Bremsvorrichtung von Fig.2 in Richtung der Pfeile III-III in Fig.2 gesehen.
Fig.4 ist eine perspektivische Ansicht einer Zugspannungssteuerung des Stands der Technik, wobei ein Teil davon durch ein Blockdiagramm dargestellt ist.
Fig.5 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in Fig.4 dargestellten Spann ungssteuerung des Stands der Technik.
Fig.6 ist ein Graph zur Erläuterung der Funktionsweise der in Fig.4 dargestellten Spannungssteuerung des Stands der Technik.
Fig.7 ist eine teilweise im Längsschnitt dargestellte Vorderansicht einer magnetischen Bremsvorrichtung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig.8 ist eine Seitenansicht einer magnetischen Bremsvorrichtung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig.9 ist eine teilweise im Längsschnitt dargestellte Vorderansicht einer magnetischen Bremsvorrichtung einer dritten ertindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig.10 ist eine Seitenansicht eines Teils der magnetischen Bremsvorrichtung von Fig.9.
Fig.11 ist eine teilweise im Längsschnitt dargestellte Vorderansicht einer magnetischen Bremsvorrichtung einer vierten erfindungsgemäßen Ausührungsform.
Fig.12 ist eine Seitenansicht eines Teils der magnetischen Bremsvorrichtung von Fig.11.
Fig.13 ist eine perspektivische Ansicht (ein Teil davon durch ein Blockdiagramm dargestellt) eines erfindungsgemäßen Spann ungssteuerungssystems, das eine der magnetischen Bremsvorrichtungen der Figuren 7 bis 12 einsetzt.
Fig.14 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Spannungssteuerungssystems von Fig.13.
Figuren 15 und 16 sind Graphen zur Erläuterung der Eigenschaffen des Spannungssteuerungssystems von Fig. 13.
Bezugnehmend auf Fig.7 ist eine elektromagnetische Pulverbremse als magnetische Bremsvorrichtung einer ersten Ausführungsform dargestellt. Diese elektromagnetische Pulverbremse unterscheidet sich von der in Fig.1 dargestellten elektromagnetischen Pulverbremse des Stands der Technik durch das Vorsehen eines Lastdetektors 17, und in der Struktur der elektromagnetischen Pulverbremse dahingehend, daß der Zylinder 7 und die Seitenplatte 5 fehlen. Diese strukturellen Unterschiede sind jedoch für die Leistung der elektromagnetischen Pulverbremse selbst nicht entscheidend. Ein im wesentlichen zylindrischer Jochkörper 201 besitzt eine in einer ringförmigen Ausnehmung des ]ochkörpers 201 aufgenommene Erregerspule 202, sodaß sich diese über den Umfang erstreckt. Ein nichtmagnetischer Unterbrechungsring 212 ist in einem peripheren lnnenabschnitt des Jochkörpers 201 eingesetzt, um den peripheren lnnenabschnitt des Jochkörpers 201 magnetisch zu teilen, um das Fließen eines Magnetflusses durch das Magnetpulver zu ermöglichen, wie dies weiter unten l)eschrieben wird. Ein Rotor 210 ist direkt mit der Antriebswelle 206 verbunden, um sich gemeinsam damit zu drehen. Die Antriebswelle 206 ihrerseits ist mit einer nicht dargestellten zu bremsenden Maschine verbunden. Das Magnetpulver 211, z.B. kugelförmige Teilchen einer Fe-, Al- und Cr-Legierung, ist in einem Spalt zwischen einer peripheren Innenfläche des Jochkörpers 201 und einer peripheren Außenfläche des Rotors 210 eingefüllt. Träger 203 und 204 stützen den Jochkörper 201 in bezug auf den Rotor 210 durch Lager 209 in drehbarer Weise. Eine Strebe 213 stützt die Antriebswelle 206 durch das Lager 214 in drehbarer Weise, und daher stützt die Strebe 213 die elektromagnetische Pulverbremse. Eingangsanschlüsse 202a der Erregerspule 202 liegen frei.
Eine Vielzahl äußerer Rippen 215 zur Abstrahlung von Wärme ist an einer Seitenfläche des Jochkörpers 201 durch Bolzen 216 o.dgl. befestigt.
Der Lastdetektor 17 zum Erkennen einer Bremskraft oder einer Last, die durch die elektromagnetische Pulverbremse an die mit der Antriebswelle 206 verbundene Maschine als eine auf den Jochkörper 201 wirkende Reaktionskraft angelegt wird, enthält ein piezoelektrisches Element 17a mit länglicher, rechteckiger Plattenform und eine Detektorspule 17b, die um das piezoelektrische Element 17a gewickelt ist. Die Detektorspule 17b besitzt zwei Ausgangsanschlüsse 17c. Ein Ende des piezoelektrischen Elements 17a ist durch Bozen 20 an einer äußeren Rippe 215 befestigt, und das andere Ende ist durch Bolzen 19 an einem stationären Abschnitt 18 einer äußeren Einrichtung oder Konstruktion befestigt. Der Lastdetektor 17 ist in dieser Ausführungsform zwischen einer der äußeren Rippen 215 und dem äußeren stationären Abschnitt 18 befestigt und stellt eine vertikale Brücke dazwischen dar. In der Folge wirkt die auf die äußere Rippe 215 in Umfangsrichtung ausgeübte Reaktionskraft senkrecht auf ein Ende des piezoelektrischen Elements 17b, um dieses in bezug auf das andere Ende, das am stationären Abschnitt 18 befestigt ist, zu verbiegen oder zu spannen. Somit wird ein Ausgangssignal, das der Cröße und Richtung der Reaktionskraft, d.h. der Bremskraft oder Last, entspricht, an den Ausgangsanschlüssen 17c erzeugt.
Fig.8 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei der Unterschied zur ersten Ausführungsform von Fig.7 darin liegt, daß der Lastdetektor 17 zwischen einem Strukturelement 16 am unteren Ende der elektromagnetischen Pulverbremse und einem stationären Abschnitt 18' auf der Bodenseite befestigt ist. Auch in diesem Fall wird die Reaktionskraff auf den Lastdetektor 17 in einer Umfangsrichtung A oder B und senkrecht ausgeübt. Man erhält ein ähnliches Ausgangssignal aus dem Lastdetektor 17.
Figuren 9 und 10 zeigen eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform. Die Struktur der elektromagnetischen Pulverbremse selbst ist die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform von Fig.7, außer daß die äußeren Rippen 215 in der elektromagnetischen Pulverbremse von Fig.9 fehlen (Fig.9 ist eine Ansicht der gegenüberliegenden Seite von Fig. 7). Ein Lastdetektor 17, der dem in Fig.7 gezeigten entspricht, ist an einem Ende des Jochkörpers 201 mittels eines Befestigungselements 21 fixiert, das durch Bolzen 22 am Jochkörper 201 befestigt ist. Das andere Ende des Lastdetektors 17 ist an einem stationären Abschnitt 18 einer außenseitigen Konstruktion oder Einrichtung befestigt. Das Befestigungselement 21 besitzt einen flachen Plattenabschnitt 21a, der direkt an einer Seite des Jochkörpers 201 mittels Bozen 22 befestigt ist, weiters einen abgewinkelten Plattenabschnitt 21b, der über einer oberen Kantenfläche des Jochkörpers 201 gebogen ist, sowie einen senkrechten Plattenabschnitt 21c, der im rechten Winkel in einer zum Jochkörper 201 entgegengesetzten Richtung aus dem flachen Plattenabschnitt 21a ragt. Das eine Ende des Lastdetektors 17 ist durch die Bolzen 20 am senkrechten Plattenabschnitt 21c befestigt. Die in Umfangsrichtung ausgeübte Reaktionskraft der elektromagnetischen Pulverbremse wirkt durch das Befestigungselement 21 in der senkrechten Richtung A oder B auf den Lastdetektor 17 (siehe Fig.10). Der Lastdetektor erzeugt ein ähnliches Ausgangssignal wie in der ersten Ausführungsform von Fig.7.
Figuren 11 und 12 zeigen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Struktur der elektromagnetischen Pulverbremse selbst ist völlig die gleiche wie in der ersten Ausführungsform von Fig.7 außer daß die äußeren Rippen 215 in der elektromagnetischen Pulverbremse von Fig.11 fehlen (Fig.11 ist eine Ansicht der gegenüberliegenden Seite von Fig.7). Ein Drehgelenk 27 besitzt am unteren Ende einen Fixierungsabschnitt, der durch einen Bolzen 28 o.dgl. am Jochkörper 201 befestigt ist. Ein beweglicher Abschnitt an einem oberen Ende des Drehgelenks 27, der darin eine Kugel enthält, ist durch eine Justierstange 29 mit dem Lastdetektor 30 verbunden. Der Lastdetektor 30 wird durch eine Kraffmeßdose des Kompressionstyps gebildet und enthält vier Dehnungsmeßstreifen 30a, die an beiden Seiten eines flachen Abschnitts eines Detektionsabschnitts 30b angebracht sind. Der Detektionsabschnitt 30b besitzt einen Stangenabschnitt, der sich vom Mittelpunkt des flachen Abschnitts nach außen erstreckt, wobei das Ende des Stangenabschnitts mit der justierstange 29 verbunden ist. Die Ausgangsanschlüsse 30c sind mit den Dehnungsmeßstreifen 30a verbunden. Der Lastdetektor 30 ist an einem stationären Abschnitt 31 einer außenseitigen Konstruktion oder Einrichtung befestigt. Wenn eine Kraft durch den Justierstab 29 in Richtung C oder D auf den Detektionsabschnitt 30b wirkt, wird der flache Abschnitt des Detektionsabschnitts 30b gespannt, und diese Spannung wandelt sich durch die piezoelektrische Wirkung der Dehnungsmeßstreifen 30a in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal wird aus den Ausgangsanschlüssen 30c ausgesendet. Der Justierstab 29 wird durch eine Doppelmutter 32 eingestellt. Aus der obigen Anordnung ist ersichtlich, daß man im Gegensatz zur dritten Ausführungsform eine Feineinstellung vornehmen kann, sodaß eine Last in einer durch den Pfeil C oder D dargestellten Tangential richtung angelegt wird.
Da in der vierten Ausführungsform der Lastdetektor 30 durch das Drehgelenk 27 und die Justierstange 29 montiert wird, wird das Bremsdrehmoment durch ein Zwischenelement wie z.B. das Drehgelenk 27, die Justierstange 29 u.dgl. auf den Lastdetektor 30 übertragen, und es entsteht eine Spannung, die der durch die Pfeile C oder D in Fig.12 gezeigten Richtung sowie der Größe des Bremsdrehmoments entspricht.
Demnach wird die Spannung durch die piezoelektrische Wirkung innerhalb des Lastdetektors 30 in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dem Bremsdrehmoment entspricht.
Wie bereits erwähnt ist in jeder der Ausführungsformen der Erfindung die magnetische Bremsvorrichtung integriert mit einem Lastdetektormittel versehen. Die Genauigkeit der Lastermittlung ist hoch, und bei Verwendung dieser magnetischen Bremsvorrichtung in einem automatischen Steuersystem zur Zugspannungssteuerung u.dgl. ist es möglich, ein elektrisches Signal zu verwenden, das einem Bremsdrehmoment (Last) entspricht, das durch die Vorrichtung selbst zur Regelung ermittelt wird.
In jeder der Ausführungsformen ist die elektromagnetische Pulverbremse als magnetische Bremsvorrichtung beschrieben, doch die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Es ist lediglich erforderlich, daß es sich um eine elektromagnetische Bremse handelt, in der das Bremsdrehmoment am Umfang um die Antriebswelle übertragen wird; der in jeder der Ausführungsformen beschriebene Lastdetektor kann eine Brücke zwischen dem Jochkörper z.B. einer Reibscheibenbremse, Hysteresebremse. Wirbelstrombremse o.dgl. und einem stationären Abschnitt der Außen konstru ktion bilden. Im Fall der Reibscheibenbremse, Hysteresebremse und Wirbelstrombremse gibt es kein drehmomentübertragendes Zwischenmedium wie z.B. ein Magnetpulver, weshalb ein Teil, der dem Rotor oder dem Zylinder entspricht und mit der Antriebswelle in der elektromagnetischen Pulverbremse verbunden ist, ein Rotor bzw. Anker ist.
Bezugnehmend auf Figuren 13 bis 16 wird eine Ausführungsform eines Spannungssteuerungssystems beschrieben. Im Spannungssteuerungssystem des Rollendurchmesserverhältnis-Typs wird das Bremsdrehmoment (Erregerstrom) gemäß einem Rollendurchmesser gesteuert, sodaß ungeachtet der Änderung des Rollendurchmessers zwischen einem maximalen und minimalen Rollendurchmesser eine erwünschte Spannung aufrechterhalten werden kann. In einem solchen Spannungssteuerungssystem verringert sich das erforderliche Bremsdrehmoment linear oder proportional zum sich reduzierenden Rollendurchmesser. Bei Verwendung einer elektromagnetischen Pulverbremse Kann Tian aufgrund ihrer Erregerstrom- Bremsdrehmoment-Charakteristik durch Einstellen des Erregerstroms in Einklang mit dem Rollendurchmesser das erforderliche Bremsdrehmoment erzielen. Ein Vergleich mit der Spannungssteuerung des Stands der Technik in Fig.4 zeigt, daß ein Bahn- Ablaßsystem mit einer Ablaßspule 101, einer angetriebenen Walze 105, Klemmwalzen 106, 107, einem Impulsgenerator 108, einer Aufnahmespule 111 und einem Drehdetektor 102 dem in Fig.4 dargestellten entspricht. Die Unterschiede zwischen dem erfi ndungsgemäßen Spann ungssteuerungssystem und dem Spannungssteuerungssystem des Stands der Technik liegen darin, daß in der vorliegenden Erfindung eine in Figuren 7 bis 12 beschriebene magnetische Bremsvorrichtung 300 sowie eine Steuereinheit 304, die ein Ausgangssignal aus der magnetischen Bremsvorrichtung 300 empfängt, verwendet werden. Eine Eingangswelle der magnetischen Bremsvorrichtung 300 ist direkt mit einer Drehwelle der Ablaßspule 101 verbunden. Genau gesagt empfängt die Steuereinheit 304 ein Rückkopplungssignal T', das einer Last oder einem Bremsdrehmoment entspricht, die/das durch die magnetische Bremsvorrichtung 300 an die Ablaßspule 101 angelegt wird; die Steuereinheit 304 sendet ein Steuersignal aus, das eine Komponente enthält, um einen mechanischen Verlust Ml auszugleichen, der in drehenden Elementen des Spannungssteuersystems verursacht wird.
Die magnetische Bremsvorrichtung 300, die eine beliebige der in Figuren 7, 8, 9 und 11 beschriebenen sein kann, enthält eine elektromagnetische Pulverbremse 301 mit einer Erregerspule 301a und einem Lastdetektor 303, der dem in Figuren 7 bis 9 dargestellten Lastdetektor 17 oder dem in Figuren 11 und 12 dargestellten Lastdetektor 30 entspricht. Die Steuereinheit 304 ist mit dem Drehdetektor 102, dem Impulsgenerator 108 und dem Lastdetektor 303 verbunden, um jeweilige Ausgangssignale zu empfangen; weiters ist sie mit der Erregerspule 301 a der elektromagnetischen Pulverbremse 301 verbunden, um das Steuersignal zu liefern. Außerdem wird ein Verlustausgleichssignal Ml extern an die Steuereinheit 304 übermittelt.
Im Betrieb errechnet die Steuereinheit 304 einen Durchmesser D der um die Ablaßspule 101 gewickelten Bahn (nachstehend als Rollendurchmesser der Ablaßspule 101 bezeichnet) gemäß den Ausgangssignalen aus dem Drehdetektor 102 und dem Impulsgenerator 108, wie dies oben beschrieben ist.
Die mechanische Verlustkomponente Ml wird zuvor experimentell bestimmt; diese mechanische Verlustkomponente Ml (die als Ausgangsspannung der Steuereinheit 304 zur Steuerung des Erregerstroms der elektromagnetischen Pulverbremse 301 ausgedrückt wird) nimmt, wie dies aus Fig.15 durch die Kurve Ml ersichtlich ist, mit steigendem Rollendurchmesser D etwas zu. Wenn diese mechanische Verlustkomponente Ml zu einem erwünschten Bremsdrehmoment T addiert wird, das durch die Beziehung zwischen dem Rollendurchmesser D und einer eingestellten Zugspannung F bestimmt wird und durch eine Kurve T dargestellt ist, wird das resultierende Bremsdrehmoment Tc (das auch als Ausgangsspannung ausgedrückt wird) durch eine Kurve Tc dargestellt.
Eine Drehmomentberechnungs-Schaltung 305 in der Steuereinehit 304 empfängt ein Rollendurchmessersignal D, ein Signal Ml des mechanischen Verlusts und ein Signal F der eingestellten Zugspannung und errechnet ein erwünschtes Drehmomentsignal Tc. Dieses Signal Tc wird an eine Additionsschaltung 306 übermittelt.
Der Lastdetektor 303 wiederum sendet ein Lasterkennungssignal T' aus, das einem tatsächlichen Bremsdrehmoment entspricht, das auf die Ablaßspule 101 ausgeübt wird, und dieses Signal T' wird zur Additionsschaltung 306 zurückgeleitet. In der Folge sendet die Additionsschaltung 306 ein Fehlerdrehmomentsignal ΔT aus, das einer Differenz zwischen Tc und T', d.h. (Tc-T'), entspricht.
Demnach liefert die Additionsschaltung 306 oder die Steuereinheit 304 das Fehlersignal ΔT oder eine Erregerspannung, die dem Fehlersignal ΔT entspricht, an die Erregerspule 301 a der elektromagnetischen Pulverbremse 301.
In dieser Hinsicht ist, wie aus Fig.16 an (A) ersichtlich, die an die elektromagnetische Pulverbremse 301 angelegte Erregerspannung ein Bremsdrehmoment-Fehlersignal AT, das man durch Subtrahieren des ermittelten Drehmomentsignals T' vom erwünschten Drehmomentsignal Tc unter Ausgleich des mechanischen Verlusts Ml erhält. Unter der Annahme, daß die elektromagnetische Bremseigenschaif mit zunehmendem Rollendurchmesser D variiert (in er vorliegenden Ausführungsform dargestellt durch die durchbrochene Linie B), wird, da die Regelung durch die Rückkopplung des tatsächlich ermittelten B remsdrehmoments T' erfolgt, die Variation der elektromagnetischen Bremseigenschaft aufgehoben, und das tatsächlich erkannte Bremsdrehmoment T', das man schließlich erhält, entspricht dem erwünschten Drehmomentsignal Tc, wie dies durch Kurve (C) dargestellt ist.
Im oben beschriebenen Spannungssteuerungssystem kann daher die Spannung der Bahn mit hoher Genauigkeit auf einem konstanten Wert gehalten werden.
Da in der erfindungsgemäßen magnetischen Bremsvorrichtung ein Lastdetektor mit einem armförmigen piezoelektrischen Element und einer Spule zwischen der jochseite und einem stationären Objekt einer äußeren Konstruktion oder Einrichtung integriert befestigt ist, kommen die folgenden Vorteile zur Geltung.
Da beim armförmigen Lastdetektor Löcher für die Befestigungsbolzen ausgebildet sind und der Lastdetektor leicht angebracht und entfernt werden kann, kann die magnetische Bremsvorrichtung mit dem daran montierten Lastdetektor geliefert werden. Alternativ dazu kann der Lastdetektor getrennt als Teil geliefert werden, sodaß ihn der Kunde nachher anbringen kann. Die Anbringung des Lastdetektors kann also beliebig erfolgen.
Da der Lastdetektor integriert am Joch befestigt ist, kann er im Gegensatz zur magnetischen Bremsvorrichtung des Stands der Technik, bei der der Lastdetektor eine übertragene Last indirekt durch einen Drehmomentarm erkennt, eine Last eines solchen Bremsdrehmoments mit hoher Genauigkeit erkennen. Die mit dem Lastdetektor versehene magnetische Bremsvorrichtung ist daher in einer automatischen Steuerung, die eine Regelung vornimmt, von großem Nutzen.
Wenn die magnetische Bremsvorrichtung äußere Rippen enthält (wie z.B. in der ersten und zweiten Ausführungsform), verbessert sich auch die Wärmeabstrahlungseffizienz, da die äußere Rippe sowohl der Befestigung des Lastdetektors als auch der Wärmeabstrahlung dient.
Wenn der Lastdetektor durch ein Drehgelenk angebracht ist, läßt sich die Fühlgenauigkeit verbessern, da eine Feineinstellung der Lastrichtung möglich ist.
Da im Spannungssteuerungssystem unter Verwendung der erfindungsgemäßen magnetischen Bremsvorrichtung die Spannungssteuerung durch Vorsehen einer mechanischen Verl ustkomponente und einer tatsächlichen Zugspannung der Bahn erfolgt, um die Steuergenauigkeit zu erhöhen, können die folgenden Vorteile erzielt werden.
Da der mechanische Verlust bei der Einstellung der Zugspannung in Betracht gezogen wird, kann der Einfluß des mechanischen Verlusts auf die Spannungssteuerung deutlich verringert werden.
Da die tatsächliche Spannung der Bahn durch Montieren des Lastdetektors korrekt ermittelt werden kann, können Variationen der Eigenschaft der magnetischen Bremsvorrichtung aufgrund von Variationen der für die Regelung angewendeten Spannung ausgeglichen werden, wodurch sich die Genauigkeit der Spannungssteuerung deutlich verbessert.
In der vorliegenden Erfindung ist demnach die Genauigkeit der Steuerung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Zugspannung im Vergieich zur konstanten Spannungssteuerung des Open-Loop-Typs beträchtlich höher.
Nach dieser Beschreibung des Spannungssteuerungssystems zum Herunterlaufenlassen einer Bahn ist festzuhalten, daß die vorliegende Erfindung auch für die Aufnahme bzw. das Aufrollen einer Bahn in einem Spannungssteuerungssystem geeignet ist.

Claims

1. Magnetische Bremsvorrichtung umfassend:

einen Rotor (210), der an einer Antriebswelle (206) befestigt ist, die drehbar durch eine Strebe (213) abgestützt ist;

einen den Rotor umgebenden Jochkörper (201) mit im wesentlichen zylindrischer Form, wobei der Jochkörper eine in seinem Mittel- bzw. zentralen Abschnitt über den Umfang ausgebildete Ausnehmung aufweist und vordere und hintere Träger (203, 204) zum drehbaren Stützen des Joch körpers auf einem Basisabschn itt des Rotors besitzt; und

eine Erregerspule (202), die in der den Rotor umgebenden Ausnehmung aufgenommen ist

wobei der Jochkörper beim Erregen der Erregerspule eine magnetische Anziehungskraft ausübt, um den Jochkörper an den Rotor anzuziehen, um eine Bremskraff an den Rotor anzulegen und somit die Antriebswelle zu bremsen;

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Vorrichtung zusätzlich einen Lastdetektor (17) umfaßt, der ein armförmiges piezoelektrisches Element (17a) und eine um das piezoelektrische Element gewickelte Spule (17b) enthält, wobei der Lastdetektor zwischen dem drehbaren Jochkörper und einem stationären Objekt (18), das in bezug auf den Jochkörper stationär ist, durch ein Zwischenelement, das zwischen dem Jochkörper und dem Lastdetektor positioniert ist, integriert befestigt ist, wobei das piezoelektrische Element sein Verbiegen sowie die direkt in ihm entstehende Spannung aufgrund der relativen Bewegung zwischen dem Jochkärper und dem stationären Objekt feststellen kann.

2. Bremsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der jochkörper (201) eine Vielzahl äußerer, an einer seiner Außenflächen fixierter Rippen (215) aufweist und das piezoelektrische Element (17a) zwischen einer aus der Vielzahl äußerer Rippen und dem stationären Objekt (18) angeordnet ist.

3. Bremsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der jochkörper (201) ein Befestigungselement (21) umfaßt und das piezoelektrische Element (17a) zwischen dem Befestigungselement und dem stationären Objekt (18) verbunden ist.

4. Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das piezoelektrische Element (17a) eine armförmige Kraftmeßdose ist.

5. Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine elektromagnetische Pulverbremse zum Bremsen der Antriebswelle.

6. Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Reibscheibenbremse zum Bremsen der Antriebswelle.

7. Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Hysteresebremse zum Bremsen der Antriebswelle.

8. Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Wirbelstrombremse zum Bremsen der Antriebswelle.

9. Spannungs- bzw. Zugspannungssteuerungssystem zum Herunterlaufenlassen einer um eine Ablaßspule (101) gewickelten Bahn (100) bei konstanter Zugspannung, umfassend eine magnetische Bremsvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Anlegen einer Bremskraft an die Ablaßspule, worin das piezoelektrische Element sein Verbiegen und die in ihm direkt entstehende Spannung aufgrund der relativen Bewegung zwischen dem Jochkärper und dem stationären Objekt erkennt und ein Ausgangssignal, das dem an die Ablaßspule angelegten Bremsdrehmoment entspricht, als Rückkopplungssignal liefert;

wobei das System zusätzlich umfaßt:

einen Drehdetektor (102) zum Erkennen einer Anzahl an Drehungen der Ablaßspule und zum Aussenden eines Signals basierend auf den Drehungen;

einen Impulsgenerator (108) zur Erzeugung eines Ausgangssignals basierend auf der Aufnahmegeschwindigkeit der Bahn;

eine Steuereinheit (304), die die Ausgangssignale aus dem Drehdetektor und dem Impulsgenerator empfängt, um einen Rollendurchmesser der Ablaßspule basierend auf den empfangenen Ausgangssignalen zu berechnen und um ein Steuersignal zu erzeugen, das einem erwünschten Bremsdrehmoment entspricht, das mit dem errechneten Rollendurchmesser korrespondiert; und

wobei die Steuereinheit auch ein Fehlersignal zwischen dem, einem erwünschten Bremsdrehmoment entsprechenden Steuersignal und dem Rückkopplungssignal berechnet und das Fehlersignal an die Bremsvorrichtung weiterleitet, um die Erregerspule (202) zu erregen, um die konstante Zugspannung zu erzielen.

10. Spannungs- bzw. Zugspannungssteuerungssystem nach Anspruch 9, umfassend Drehelemente, worin ein Signal des mechanischen Verlusts der Bestandteile, das einem mechanischen Verlust in den Drehelementen entspricht, zum Steuersignal der Steuereinheit (304) addiert wird, um den mechanischen Verlust auszugleichen.