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Dokumentenidentifikation DE3407731C3 29.04.1993
Titel Elektromotor mit automatisch wirkender Bremse
Anmelder Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH, 6000 Frankfurt, DE
Erfinder Zelle, Edgar, 2902 Rastede, DE;
Roshop, Dieter, Dipl.-Ing., 2900 Oldenburg, DE
DE-Anmeldedatum 02.03.1984
DE-Aktenzeichen 3407731
Offenlegungstag 05.09.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.04.1988
Date of publication of amended patent 29.04.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.04.1993
IPC-Hauptklasse H02K 7/102
IPC-Nebenklasse H02P 3/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor der im Oberbegriff des Anspruches 1 bezeichneten, durch die BE-PS 5 63 334 bekannten Art.

Gemäß der BE-PS 5 63 334 ist es bekannt, auf der Läuferwelle eines Elektromotors einen ferromagnetischen Bremsanker anzuordnen, über welchen ein Teil des in den Läufer eindringenden magnetischen Flusses geleitet wird. Dadurch wird bewirkt, daß bei eingeschaltetem Feld der Bremsanker gegen die Wirkung einer Feder zum Läufer hin angezogen wird, während er bei Abschaltung des Feldes durch die Feder in Läuferachsrichtung gegen ein ortsfestes Bremselement gedrückt wird und dadurch die Nachlaufdrehbewegung des Läufers abbremst.

Da der vom Läufer abzweigbare magnetische Fluß relativ klein ist, können nur geringe Federkräfte zugelassen werden, so daß die Bremsmomente entsprechend niedrig sind. Deshalb sind im bekannten Fall Maßnahmen zur Verstärkung der Bremswirkung vorgesehen. Das drehbare Bremselement ist relativ zum Läuferkörper um einen gewissen Drehwinkel bis zu einem Anschlag drehbar. Der Anschlag besteht aus einer zur Drehebene geneigten Fläche, welche mit der Läuferwelle starr verbunden ist, und einer zugeordneten geneigten Fläche des drehbaren Bremselements. Sobald der Motorstrom abgeschaltet wird, drückt die Federkraft das drehbare Bremselement axial gegen das ortsfeste Bremselement und wird dabei von dem entstehenden Bremsmoment auf die geneigten Flächen gezogen, wodurch dann die Keilwirkung eine Verstärkung des Bremsmomentes bewirkt.

Wenn man jedoch auf diese Weise eine Vervielfachung des Bremsmomentes erreichen will, müssen die Neigungswinkel α der zur Drehebene geneigten Keilflächen klein sein. Nennenswerte Verstärkungen ergeben sich erst bei Werten von α < 40°. Leider bedingt die Verkleinerung des Neigungswinkels α bis in die Nähe eines kritischen Wertes die Gefahr, daß die Bremse blockiert und/oder nicht mehr durch den Bremsanker lösbar ist. Da Fertigungstoleranzen der Abmessungen der geneigten Keilflächen, insbesondere Streuungen der Oberflächenbeschaffenheit unvermeidbar sind, mußten bisher aus Sicherheitsgründen relativ große Neigungswinkel vorgesehen werden, so daß keine intensive Bremswirkung erzielbar war.

Kleinere Neigungswinkel konnten nur bei aufwendigeren Bauarten zugelassen werden. Eine solche ist nach der DE-OS 29 19 672 bekannt. Dort besteht das drehbare Bremselement aus zwei gegen eine axiale Ausgleichsfeder beweglichen Teilen. Das drehbare Bremselement dreht sich relativ zur Läuferwelle auf geneigten Keilflächen bis zu einem direkten festen Anschlag. Durch die Schraubenbewegung wird die Ausgleichsfeder auf Kräfte gespannt, welche erheblich größer als die vom Bremsanker entgegenwirkende Federkraft sein können. Bei einer solchen Bremse ist die Gefahr einer Blockierung vermieden, jedoch zeigte sich, daß trotz erhöhten Aufwandes keine im Hinblick auf die angestrebte intensive Bremswirkung wünschenswerte Verkleinerung des Neigungswinkels α möglich war, weil dann nämlich die Bremse verklemmt und nicht mehr durch die Kraft des Bremsankers rückholbar ist. Dieser Nachteil zeigte sich insbesondere bei einer nach Fig. 4 der DE-OS 29 19 672 bekannten Bauart, bei welcher eine der geneigten Keilflächen in den Kurzschlußring des Läufers des Elektromotors eingearbeitet ist.

Auch bei einer Anwendung gemäß der CH-PS 3 75 424 ist eine ausreichende Bremswirkung und die Sicherstellung der Rückholbarkeit des Bremsankers nur durch beträchtlichen mechanischen Aufwand erreichbar. Dieser besteht insbesondere darin, daß für die ortsfesten Bremselemente eine Vorspannung mittels Federglieder notwendig ist. Außerdem bedingt die Ausbildung der Keilfläche und des auf ihr gleitenden Stiftes einen unerwünschten großen Fertigungsaufwand, der durch die unumgänglich erforderliche Verschleißfestigkeit dieser Bauteile noch vergrößert wird.

Extrem hoch ist auch der erforderliche Aufwand bei einem mit einer Stillstandsbremse versehenen Motor größerer Leistung, wie er in der CH-PS 3 38 233 beschrieben ist. Die in der Entgegenhaltung dargestellte Zahnkupplung zur Verschiebung der als Hohlwelle ausgebildeten Läuferwelle beim Lüften der Bremse besitzt darüber hinaus keine die Bremskraft verstärkende Wirkung.

Gemäß der DE-AS 27 51 841 schließlich ist es bekannt, den Bremsanker mit Mitnehmern zu versehen, die in Ausnehmungen des Kurzschlußringes eingesteckt sind und so eine ständig im Eingriff stehende Kupplung bilden. Auch diese Kupplung bewirkt keine Verstärkung der Bremskraft, da die Kupplungsflächen in Motorachsrichtung verlaufen. Der Verwendung von Kupplungsteilen unterschiedlicher Werkstoffhärte liegt bei dieser bekannten Ausführung lediglich der Gedanke zugrunde, die Fertigung zu vereinfachen, denn infolge des sehr kleinen Spiels der dauernd im Eingriff stehenden Kupplung ist eine Verformung des weicheren Kupplungsteiles weder zu befürchten noch überhaupt beabsichtigt, da sie nur spielerhöhende und somit schädliche Wirkung hätte.

Gemäß der FR-PS 12 54 134 ist ein Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Dieser Schrift ist aber nicht zu entnehmen, wie größtmögliche Bremsmomente erzielbar sind, ohne daß die Gefahr einer Blockierung oder Verklemmung der Bremse besteht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Elektromotor der eingangs beschriebenen Art die Bremsanordnung derart auszubilden, daß bei Einsatz der üblichen, leicht bearbeitbaren und preisgünstigen Werkstoffe, bei einfacher Formgebung der zugeordneten Bauteile und einer unkomplizierten, zeitunaufwendigen Montage größtmögliche Bremsmomente erzielbar sind, ohne daß die Gefahr einer Blockierung oder Verklemmung der Bremse besteht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiels erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen mit einer erfindungsgemäß gestalteten Bremsanordnung versehenen Teil eines Asynchronmotors.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 in nur teilweise geschnittener Darstellung.

Fig. 3 zeigt die Stirnansicht des Käfigläufers.

Fig. 4 zeigt die Stirnansicht des die geneigten Keilflächen aufweisenden Teils des drehbaren Bremselementes.

Der in Fig. 1 dargestellte Asynchronmotor mit dem Ständerblechpaket 1, dem Wickelkopf 2, dem Läuferblechpaket 3 nebst den aus Aluminium gegossenen Kurzschlußringen 4, der Welle 5, dem Gehäusemantel 6 und dem ein Kugellager 7 aufnehmenden Lagerschild 8 ist mit einer gemäß der Erfindung gestalteten automatischen Bremse versehen. Das Lagerschild 8 ist aus Stahlblech geprägt und bildet gleichzeitig mit einer Ringfläche das ortsfeste Bremselement 9. Es wäre beispielsweise auch möglich, das Lagerschild aus Aluminium-Guß herzustellen und erforderlichenfalls an ihm eine aus Stahlblech gestanzte Ringscheibe zu befestigen, welche dann als ortsfestes Bremselement dient.

Das drehbare Bremselement ist ein kompaktes Bauteil und besteht aus den fest miteinander verbundenen Bauteilen Bremsanker 10, Keilscheibe 11 und Verlängerungstopf 12, welcher vier etwa quadratische, symmetrische am Umfang verteilte Bremsbeläge 13 trägt.

Die Keilscheibe 11 und der Verlängerungstopf 12 sind aus Stahlblech geormt. Es ist auch möglich, beide Bauteile aus einem einzigen Blechteil zu formen oder gemeinsam mit dem Magnetanker 10 aus magnetisch gut leitendem Stahl zu gießen.

In der oberen Hälfte der Fig. 1 ist der Magnetanker 10 an das Läuferblechpaket 3 angezogen. In der unteren Hälfte ist der Magnetanker in abgefallener Stellung bei ausgeschaltetem und abzubremsendem Motor dargestellt. In dieser Stellung drückt die Wendelfeder 14 die Bremsbeläge 13 des drehbaren Bremselements gegen das ortsfeste Bremselement 9.

Die Fig. 2, 3 und 4 verdeutlichen, wie die eine Verstärkung der Bremsmomente bewirkenden geneigten Keilflächen vorteilhaft auszubilden sind.

Die Keilscheibe 11 besitzt vier dachartige Ausbuchtungen 15, deren Außenflächen 16 bzw. 17 für Rechts- bzw. Linkslauf die geneigten Keilflächen des drehbaren Bremselements bilden. Diese Außenflächen 16 und 17 sind hinreichend glatt, da die Keilscheibe 11 aus gewalztem Stahlblech geformt ist. Sie ragen allseitig über die zugeordneten geneigten Flächen 18 bzw. 19 des Kurzschlußringes 4 hinaus, so daß insbesondere die Dachspitzen 20 auch bei abgenutzten Bremsbelägen 13 nicht in der Anlage an die Flächen 18 und 19 gelangen können, welche aus dem gleichen Grunde durch eine Freinut 21 beabstandet sind. Je nach Drehrichtung des Motors liegen beim Bremsvorgang entweder die Flächen 16 und 18 oder die Flächen 17 und 19 aneinander. Zwischen diesen beiden Winkelstellungen vermag sich das drehbare Bremselement an der Lagerstelle 22 (Fig. 1) auf der Welle 5 zu verdrehen. Vorteilhaft ist es, die Lagerstelle im mittleren Bereich zwischen der Stirnfläche des Läuferblechpakets 3 und der Bremsfläche 9 anzuordnen. Das Lagerspiel ist so groß gewählt, daß die Achse des drehbaren Bremselements um einen geringen Winkel zur Achse der Welle 5 schwenkbar ist, so daß sich das drehbare Bremselement sowohl beim Anliegen am ortsfesten Bremselement 9 als auch beim Anliegen am Läufer 3 optimal ausrichten kann.

Die Flächen 16 und 18 bzw. 17 und 19 liegen im jungfräulichen Zustand geneigt aneinander an, wobei eine "satte" Anlage auf einem Teilbereich durch die beim Bremsvorgang entstehenden hohen Axialkräfte infolge plastischer Verformung der weicheren Flächen 18 bzw. 19 erzielt wird.

Überraschend hohe Bremsmomente ergeben sich, wenn der Tangens des Neigungswinkels nach folgender Bedingung gewählt wird:

tg α < μB + μK,

wobei μB der Reibwert der Bremsbeläge 13 auf dem ortsfesten Bremselement 9 und μK der Reibwert der Keilflächen 16 und 18 bzw. 17 und 19 aufeinander ist. Zur Vermeidung einer Blockierung oder Verklemmung der Bremse muß

tg α < μB, μK

gewählt werden. Wenn der Neigungswinkel α innerhalb des durch diese Ungleichungen definierten Bereiches gewählt wird, ergeben sich Bremsmomente, die erheblich höher sind als theoretisch unter Beachtung der rechnerisch erfaßbaren Verstärkung durch die Keilwirkung zu erwarten ist. Eine solche unerwartete Erhöhung der Bremsmomente ergab sich insbesondere dann, wenn anstatt eines ringförmig geschlossenen Bremsbelages eine Mehrzahl (mindestens drei oder vorzugsweise vier) symmetrisch am Umfang des drehbaren Bremselementes verteilte Einzelbeläge 13 gewählt wurden, wobei es sich in gleicher Weise vorteilhaft erwiesen hat, wenn die Bremsfläche des ortsfesten Bremselements über ihren Umfang axial gerichtete, sehr kleine Unebenheiten mit einer Periodizität von mindestens 1 aufweist, was z. B. der Fall ist, wenn das Lagerschild nicht genau senkrecht zur Welle angeordnet ist. Vorzugsweise entspricht die Periodizität der Unebenheiten der Anzahl der Bremsbeläge 13. Das kann man in einfacher Weise bei einem Blechlagerschild bereits dadurch erreichen, daß außerhalb der Bremsfläche in entsprechender Anzahl symmetrisch verteilte Verformungen vorgenommen werden, z. B. der Luftzuführung dienende Ausstanzungen.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektromotor mit beim Abschalten des Motors automatisch wirkender Bremse, welche einen ferromagnetischen, die Motorwelle zwischen Läuferblechpaket und Lagerschild umgebenden, vom in den Läufer eindringenden magnetischen Fluß des Motors axial entgegen eine Federkraft an den Läufer anziehbaren Anker aufweist, wobei der Anker unmittelbar an einem axial auf der Welle geführten, mit dem Läufer drehbaren Bremselement befestigt ist, welches gegen ein ortsfestes Bremselement preßbar ist, und wobei das drehbare Bremselement um einen durch Anschläge begrenzten Drehwinkel gegenüber dem Läufer drehbar ist und zur Drehebene geneigte zweite Keilflächen aufweist, welche beim Eingriff der Bremse an zugeordneten geneigten ersten Keilflächen des Läufers anliegen, durch welche Flächen die Anschläge gebildet werden, wobei als Keilflächen drehbare Läufer (3) und das Bremselement (10, 11, 12) dachförmige, miteinander korrespondierende Ein- bzw. Ausbuchtungen für beide Drehrichtungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der ersten Keilflächen (18, 19) wesentlich weicher ist als derjenige der zweiten Keilflächen (16, 17),

    daß der Winkel zwischen den beiden einander berührenden Keilflächen (16, 18 bzw. 17, 19) in jungfräulischem Zustand mindestens 0,5° und kleiner als 5° ist,

    daß der Neigungswinkel α der Keilflächen (16 bis 19) in eingelaufenem Zustand zur Drehachse 25° bis 35° beträgt,

    daß die härteren Keilflächen (16, 17) die anliegenden weicheren Keilflächen (18, 19) allseitig überragen und

    daß die Spitzen der dachförmigen Einbuchtungen durch eine Freinut (21) ersetzt sind.
  2. 2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weicheren Keilflächen (18, 19) aus Aluminium und die härteren (16, 17) aus Stahl bestehen.
  3. 3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weicheren Keilflächen (18, 19) Bestandteile des Kurzschlußringes (4) des Elektromotors sind.
  4. 4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die härteren Keilflächen (16, 17) eine Rautiefe von weniger als 6 µm aufweisen.
  5. 5. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die härteren Keilflächen (16, 17) durch einen Zieh-, Präge- oder Walzvorgang hergestellt sind.
  6. 6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilflächen (16-19) von einem Schmiermittel benetzt sind.
  7. 7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei, vorzugsweise vier, symmetrisch am Umfang des Läufers (3) bzw. des drehbaren Bremselements (11) verteilte Keilflächen (16-19) vorgesehen sind.
  8. 8. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Lagerstelle (22) für das drehbare Bremselement im mittleren Bereich zwischen der Stirnfläche des Läufers (3) und der Bremsfläche des ortsfesten Bremselements (9) vorgesehen ist.
  9. 9. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ortsfeste Bremselement (9) ein aus Blech gezogenes Bauteil ist.
  10. 10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das ortsfeste Bremselement (9) Bestandteil eines Blechlagerschildes (8) ist.
  11. 11. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem drehbaren Bremselement (10 bis 12) eine Anzahl von mindestens drei und höchstens sechs einzelnen Bremsbelägen (13) angeordnet ist und daß die Bremsfläche des ortsfesten Bremselements (9) mindestens eine vorzugsweise eine der Anzahl der Bremsbeläge entsprechende Anzahl in Umfangsrichtung aufeinander folgender Unebenheiten aufweist.
  12. 12. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Tangens des Neigungswinkels α der Keilflächen (16-19) kleiner als die Summe der Reibungsziffern μB der Bremsbeläge und μK der Keilflächen ist.






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