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Die Erfindung betrifft ein Bremssystem mit einem Statorelement und einem Rotorelement, die koaxial angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Bremssystems.
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Herkömmliche Bremssysteme umfassen beispielsweise Trommelbremsen, Scheibenbremsen, Wirbelstrombremsen, Hydraulikbremsen oder Druckluftbremsen. Bei bestimmten mechanischen Anordnungen, z. B. ein Seilzug einer Jalousie, ein Rollladen oder parkende Fahrzeuge, ist eine dauerhafte und zuverlässige, gleichwohl lösbare Hemmung von Drehungen von besonderer Bedeutung.
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Reluktanz, auch als magnetischer Widerstand bezeichnet, beschreibt das Verhältnis von magnetischer Spannung und magnetischem Fluss eines Materials, wobei die Reluktanz dem Quotienten der magnetischen Spannung und des magnetischen Flusses entspricht. Reluktanzmotoren und reluktanzbasierte Bremssysteme nutzen aus, dass sich ein magnetisierbarer Festkörper, der einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt ist, entlang der Feldlinien des Magnetfeldes ausrichtet. Die Reluktanz hängt insbesondere von dem Material, der Geometrie des Materials und der Anordnung des Materials relativ zum Magnetfeld ab. Herkömmliche reluktanzbasierte Bremssysteme erzeugen Bremsmagnetfelder mit Hilfe von Spulen. Demgemäß muss das Magnetfeld der Spule des reluktanzbasierten Bremssystems so lange aufrechterhalten werden, wie die bremsende Wirkung erforderlich ist. Das Aufrechterhalten des Magnetfeldes benötigt eine stetige Stromzufuhr und verbraucht somit ständig elektrische Leistung. Deshalb kann eine permanente oder langfristige Bremswirkung zu hohen Kosten sowie hohem Wartungsaufwand führen.
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Vor diesem Hintergrund ist eine Aufgabe der Erfindung, ein energiesparendes reluktanzbasiertes Bremssystem bereitzustellen, das zudem einfach herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bremssystem mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 oder durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Bremssystem mit einem Statorelement und einem Rotorelement vorgeschlagen. Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen beschrieben. Das Statorelement und das Rotorelement sind koaxial angeordnet. Das Rotorelement dreht um eine Rotationsachse relativ zu dem Statorelement. Das Bremssystem kann die Drehung des Rotorelements abbremsen, unterbinden oder zulassen. Das Statorelement weist mindestens einen Permanentmagneten und eine Spule auf. Das Rotorelement umfasst magnetisierbares, z. B. ferromagnetisches, Material und mindestens einen Bremsabschnitt, der dazu eingerichtet ist, sich entlang einer Magnetfeldlinie des Permanentmagneten des Statorelements auszurichten. Der Permanentmagnet und die Spule des Statorelements sind so relativ zueinander angeordnet, dass die Spule bei Bestromung ein Spulen-Magnetfeld erzeugt, das das Magnetfeld des Permanentmagneten zumindest teilweise kompensiert.
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Das Statorelement bildet den ortsfesten Teil des Bremssystems und ist zur Lagerung des Rotorelements und/oder in Zusammenspiel mit einem Gehäuse zum Befestigen des Bremssystems geeignet. Das Statorelement und das Rotorelement können auf einer Welle des Bremssystems gelagert sein, die ein Drehmoment zwischen dem Bremssystem und einer durch das Bremssystem abzubremsenden Vorrichtung, z. B. einem Rollladen, übertragen kann.
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Das Rotorelement kann von dem Statorelement umschlossen sein, so dass das Bremssystem einen Innenläufer ausbildet. Alternativ kann das Rotorelement das Statorelement umgeben, so dass das Bremssystem einen Außenläufer ausbildet.
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Das vorgeschlagene Bremssystem kann die Drehung des Rotorelements um die Rotationsachse wahlweise zulassen, d. h. die Rotationsbewegung nicht verlangsamen oder gar unterbrechen, oder abbremsen, d. h. der Rotationsbewegung entgegenwirken, sie verlangsamen oder unterbrechen, beziehungsweise unterbinden. Das Zulassen, Unterbinden und Abbremsen der Drehung des Rotorelements können mit Hilfe der Magnetfelder des Permanentmagneten und der Spule sowie der Geometrie des Rotorelements erfolgen. Das Wirkungsprinzip wird im Folgenden näher erläutert.
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Der Bremsabschnitt umfasst ein magnetisierbares Material, d. h. weist eine magnetische Permeabilität von größer als 1 auf. Die magnetischen Feldlinien, die im Statorelement erzeugt werden, bilden sich dann bevorzugt entlang der Vorzugsrichtung des magnetisierbaren Bremsabschnitts aus, so dass sich das Rotorelement in einem äußeren Magnetfeld infolge der Reluktanzkraft derart ausrichtet, dass der Bremsabschnitt in Richtung der Pole des Magnetfeldes zeigt. Um eine Unwucht des Rotorelements bei der Rotationsbewegung zu vermeiden, können beispielsweise mehrere kongruent ausgebildete Bremsabschnitte symmetrisch bezüglich der Rotationsachse angeordnet sein. Die Bremsabschnitte können durch die Formgebung des Rotorelements, z. B. als sich radial erstreckende Abschnitte, am Innenumfang oder Außenumfang eines Rotorrings und/oder durch Variation des Rotormaterials um den Umfang, z. B. durch lokale Erhöhung der Permeabilität, gebildet werden.
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In unbestromtem Zustand des Stators führen die Reluktanz und die Geometrie des Rotorelements zu einer bremsenden Wirkung in einer Vorzugsstellung des Rotorelements, in welcher der Bremsabschnitt des Rotorelements entlang des Magnetfeldes des Permanentmagneten des Statorelements ausrichtet ist. Der Bremsabschnitt und somit das Rotorelement hat mindestens eine magnetische Vorzugsrichtung, d. h. einer Stellung des Rotorelements, in der der magnetische Widerstand im Magnetfeld des Permanentmagneten des Statorelements ein Minimum erreicht. In dieser Vorzugsstellung erreicht die magnetische Energie des Bremssystems ein lokales Minimum. Eine Kraft oder ein Drehmoment auf das Rotorelement ist erforderlich, um das Rotorelement aus der Vorzugsstellung heraus in Drehung zu versetzen. Dadurch wird die bremsende Wirkung des Bremssystems erzielt.
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Bei Bestromung der Spule wird ein Spulen-Magnetfeld erzeugt, dessen Magnetfeldvektoren den Magnetfeldvektoren des Permanentmagneten des Statorelements entgegengerichtet sind. Das Magnetfeld, das das Rotorelement erfährt, schwächt dadurch ab. Die reluktanzbasierte bremsende Wirkung, die durch das Magnetfeld der Permanentmagneten hervorgerufen ist, wird in Abhängigkeit von der Spulen-Magnetfeldstärke zumindest teilweise aufgehoben. Das Rotorelement kann dementsprechend mit einem geringeren Kraft- oder Drehmomentaufwand in eine Rotationsbewegung versetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Statorelement einen Trägerabschnitt und mindestens einen Radialabschnitt auf, der sich von dem Trägerabschnitt aus radial zu der Rotationsachse ausdehnt. Dabei nimmt der Radialabschnitt den Permanentmagneten auf. Zusätzlich kann der Radialabschnitt mit der Spule bewickelt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Rotorelement einen Rotorring auf, der koaxial zu der Rotationsachse ist. Der Bremsabschnitt erstreckt sich von dem Rotorring radial zu der Rotationsachse.
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Das Statorelement und/oder das Rotorelement können jeweils einen ersten Abschnitt, z. B. mit symmetrischem Querschnitt wie einem kreisförmigem oder ringförmigem Querschnitt, und einen weiteren Abschnitt umfassen, der sich von dem jeweiligen ersten Abschnitt aus radial ausdehnt. In einer Ausgestaltung sind der Radialabschnitt des Statorelements und der Bremsabschnitt des Rotorelements komplementär, symmetrisch gegenüberliegend oder zueinander passend geformt. Zwischen dem Radialabschnitt und dem Bremsabschnitt ist ein Spalt vorgesehen, so dass bei der Drehung des Rotorelements keine Reibungsverluste erzeugt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Rotorelement mindestens zwei Bremsabschnitte auf, die achsensymmetrisch bezüglich der Rotationsachse ausgebildet sind.
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Die einzelnen Bremsabschnitte sind vorzugsweise kongruent ausgebildet. Das Rotorelement kann zwei oder mehr, bevorzugt zwei bis sechs oder zwei bis vier, Bremsabschnitte umfassen. Vorzugsweise sind die Bremsabschnitte mit gleichmäßigem Drehwinkelabstand um die Rotationsachse angeordnet, d. h. (360°)/(Anzahl der Bremsabschnitte). Zum Beispiel sind vier benachbarte Bremsabschnitte um einem Winkel von 90° voneinander beabstandet angeordnet, oder drei Bremsabschnitte sind um 120° voneinander beabstandet angeordnet. Die Achsensymmetrie der Bremsabschnitte um die Rotationsachse kann zu einer unwuchtfreien Drehung des Rotorelements beitragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Permanentmagnet so angeordnet, dass die Magnetfeldlinien an Polen des Permanentmagneten senkrecht zu der Rotationsachse verlaufen. Ferner kann die Spule derart gewickelt und angeordnet sein, dass bei Bestromung der Spule die Spulen-Magnetfeldlinien den Magnetfeldlinien der Permanentmagnete entgegengesetzt sind.
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Beispielsweise sind die Spule und der Permanentmagnet so angeordnet, dass die Spule einen Radialabschnitt des Statorelements umgibt, in dem der Permanentmagnet aufgenommen ist, um eine Überlappung des Magnetfeldes der Spule mit dem des Permanentmagneten zu erreichen. Z. B. ist die Spule und/oder der Permanentmagnet derart angeordnet, dass die Magnetfelder, beziehungsweise die Magnetfeldvektoren an dessen/deren Polen parallel zu einer Hilfslinie verlaufen, die einen Schwerpunkt der Spule und/oder des Permanentmagneten mit der Rotationsachse verbindet. Die Spule ist dabei so angeordnet, dass ihr Magnetfeld zumindest teilweise und möglichst weitgehend, z. B. zu 60% bis 80% oder zu 70% bis 80% antiparallel zu dem Magnetfeld des Permanentmagneten ausgebildet wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Statorelement mindestens zwei Radialabschnitte auf, die achsensymmetrisch bezüglich der Rotationsachse angeordnet sind. Dabei können die Radialabschnitte jeweils einen Permanentmagneten aufweisen. Zusätzlich können die Radialabschnitte jeweils mit einer Spule bewickelt sein.
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Insbesondere können die mehreren Radialabschnitte in der Ausgestaltung und Anordnung jeweils einem von mehreren Bremsabschnitten des Rotorelements entsprechen. Wie oben beschrieben, können die Spule und der Permanentmagnet an einem gemeinsamen Radialabschnitt angeordnet oder in dem selbigen aufgenommen sein. Dadurch kann eine verbesserte Überlagerung ihrer Magnetfelder erzielt werden.
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Einige beispielhafte Materialien für den Permanentmagneten umfassen AlNiCo, Sr-Ferrite, PANiCNQ, BaFe12O19, SrFe12O19, Nd2Fe14B, SmCo5 oder Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17. In Ausführungsformen ist der Permanentmagnet ein gesinterter Permanentmagnet. Der Permanentmagnet kann insbesondere eine seltene Erde umfassen und/oder zumindest teilweise als ein Hartferritmagnet ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Bremssystem mit einem Getriebe zum Übersetzen oder zum Untersetzen eines Drehmoments des Rotorelements verbunden.
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Das Getriebe kann die Drehung des Rotorelements auf ein weiteres Bauelement übertragen. Dabei kann die Drehzahl und/oder das Drehmoment verändert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Bremssystems, insbesondere des oben beschriebenen Bremssystems, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst: Zulassen der Rotationsbewegung des Rotorelements durch Erhöhen einer elektrischen Spannung an der Spule, und Abbremsen der Rotationsbewegung des Rotorelements durch Reduzieren der an der Spule angelegten elektrischen Spannung. Alternativ oder zusätzlich zum Erhöhen der Spannung kann die Bremskraft auch durch das Regeln eines effektiv durch die Spule fließenden Stroms eingestellt werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Bremskraft durch Erhöhen einer Einschaltdauer („duty cycle”) einer Pulsweitenmodulation (PWM) des Spulenstroms erhöht oder verringert wird.
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Das vorgeschlagene Bremssystem sowie das Verfahren können z. B. eine Abwärtsbewegung eines Rollladens, der über eine Welle mit dem Bremssystem gekoppelt ist, hemmen. Die Reluktanzkraft des Bremssystems erzeugt ein Drehmoment auf der Welle, das der Abwärtsbewegung des Rollladens, der um die Welle wickelbar gelagert ist, entgegenwirkt. Um die Bremswirkung durch das Bremssystem aufzuheben, wird die Spule des Statorelements bestromt. Zusätzlich kann ein Getriebe dafür sorgen, dass der Drehwinkel zwischen zwei Bremsstellungen der Welle in festen Schritten einstellbar ist, z. B. in Schritten von 1°–5°.
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines reluktanzbasierten Bremssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines reluktanzbasierten Bremssystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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3 zeigt das reluktanzbasierte Bremssystem der 1 mit schematischen Magnetfeldlinien im Bremsbetrieb;
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4 zeigt das reluktanzbasierte Bremssystems der 1 mit schematisch dargestellten Magnetfeldlinien im Freilauf-Betrieb;
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5 zeigt ein Drehmoment-Winkel-Diagramm des Rotorelements eines reluktanzbasierten Bremssystems zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels; und
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6 zeigt ein Antriebssystem mit dem Bremssystem der 1–5.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines reluktanzbasierten Bremssystems 10.
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Das in 1 gezeigte Bremssystem 10 ist in Zylindergeometrie bezüglich einer Rotationsachse C ausgebildet. Das Bremssystem 10 umfasst ein Statorelement 12 und ein Rotorelement 14, im Folgenden kurz als Stator 12 und Rotor 14 bezeichnet. Der Rotor 14 ist außerhalb des Stators 12 und um den Stator 12 umlaufend ausgebildet. Der Stator 12 und der Rotor 14 sind im Wesentlichen zylindrisch und zu der Rotationsachse C koaxial. Der Rotor 14 umschließt einen Kernraum 16, in dem der Stator 12 aufgenommen ist. Der Rotor 14 umfasst einen Ringabschnitt 18 und vier Bremsabschnitte 20, die sich jeweils von dem Ringabschnitt 18 aus radial nach innen in Richtung der Rotationsachse C ausdehnen und um einen Winkel von 90° zueinander versetzt sind. Der Ringabschnitt 18 ist rotationssymmetrisch um die Rotationsachse C. Das Bremssystem 10 der 1 ist ein Außenläufer.
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In einem Ausführungsbeispiel hat der Rotor 14 einen Außendurchmesser von einigen Zentimetern, z. B. 3 bis 10 cm oder 3 bis 5 cm. Der Innendurchmesser des Rotors 14 beträgt einige Zentimeter, z. B. 2 bis 9 cm oder 2 bis 4 cm, und ist ca. 1 cm kleiner als der Außendurchmesser des Rotors 14. Der Außendurchmesser des Stators 12 ist um etwa 0,1 bis 10 mm, insbesondere 0,1 mm bis 1 mm, kleiner als der Innendurchmesser des Rotors 14. Der Permanentmagnet 26 kann einen rechteckigen Querschnitt mit Kantenlängen von z. B. 0,1 bis 10 mm aufweisen. Der Permanentmagnet 26 kann ferner eine magnetische Remanenz von z. B. 1 bis 1,5 Tesla haben, wobei der Begriff „Remanenz” hier im Sinne der zugeordneten Flussdichte verwendet wird.
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Der Querschnitt des Stators 12 ist in dem gezeigten Beispiel kreuzförmig ausgebildet. Der Stator 12 weist einen zentralen Kernabschnitt 22 auf, der rotationssymmetrisch um die Rotationsachse C ausgebildet ist. Der Stator 12 weist ferner vier Radialabschnitte 24 auf, die sich von dem Kernabschnitt 22 aus jeweils radial nach außen ausdehnen. Die Radialabschnitte 24 sind so gestaltet und angeordnet, dass sie der Anordnung und der Gestalt der Bremsabschnitte 20 entsprechen. Zwischen dem Radialabschnitt 24 und dem gegenüberliegenden Bremsabschnitt 20 ist ein Luftspalt, so dass diese Elemente einander nicht berühren.
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Zwei der Radialabschnitte 24 nehmen in dem gezeigten Beispiel jeweils einen Permanentmagneten 26 auf. Die Permanentmagnete 26 sind derart angeordnet, dass ihre gleichnamigen Magnetpole in Richtung der Rotationsachse C zeigen, wie mittels der Magnetfeldvektoren V in 1 dargestellt. Ferner ist die Vorzugsrichtung V der jeweiligen Permanentmagnete 26 parallel zu einer Hilfsachse L angeordnet, die die Rotationsachse C mit einem Schwerpunkt M des Permanentmagneten 26 verbindet und senkrecht zu der Rotationsachse C steht.
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Der Permanentmagnet 26 ist in dem gezeigten Beispiel quaderförmig, wobei seine radial orientierten Oberflächen jeweils einem Nordpol und einem Südpol des Permanentmagneten 26 entsprechen. Die Magnetfeldvektoren V an den Polen stehen senkrecht zu der jeweiligen Oberfläche. Denkbar ist eine entgegengesetzte Polung mindestens eines der Permanentmagnete 26 im Vergleich zur dargestellten Polung, so dass die Magnetfeldvektoren V des mindestens einen Permanentmagneten 26 in die entgegengesetzte Richtung, von der Rotationsachse C weg zeigen.
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Die Radialabschnitte 24 sind jeweils mit einer Spule 28A–28D bewickelt. Im Beispiel der 1 sind vier Spulen 28A–28D jeweils als ein Paar von Kreissektoren dargestellt. Dabei ist jeder Kreissektor mit einer Richtungsmarkierung 30 versehen, die die Stromrichtung in der zugehörigen Spule 28A–28D angibt. Die Spulen 28A–28D können eine Windungszahl von 1 bis 100, bevorzugt 10 bis 30, aufweisen. Die Dicke des Drahtes der Spulen 28A–28D kann in einem Ausführungsbeispiel kleiner als 10 mm, vorzugsweise kleiner als 2 mm und größer als 0,4 mm, z. B. 0,8 mm, betragen. Ferner kann der Stator 12 eine Nutisolation aufweisen.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Bremssystems 10, das im Vergleich zum in der 1 gezeigten Bremssystem 10 nur zwei Spulenwicklungen 28A und 28B aufweist. Dadurch ist insbesondere eine wesentlich einfachere Fertigung des erfindungsgemäßen Bremssystems möglich. Alternativ zur gezeigten Ausgestaltung können die Permanentmagnete 26 auch anders angeordnet sein, beispielsweise kann jeweils ein Permanentmagnet 26 auf einem der Radialabschnitten 24, die in der Darstellung der 2 keinen Permanentmagneten tragen, angeordnet sein. Ebenso kann die Anzahl der Permanentmagnete 26 oder deren Form von der gezeigten Variante abweichen.
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Die Funktionsweise des Bremssystems 10 der 1 wird anhand der 3 bis 5 erläutert. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Bremssystems 10 mit einer vereinfachten, schematischen Darstellung von Magnetfeldlinien 32 im Bremsbetrieb.
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Die Magnetfeldlinien 32 treten an dem Nordpol des zugehörigen Permanentmagneten aus diesem heraus und an dem Südpol in ihn ein. Jede Magnetfeldlinie 32 beschreibt einen geschlossenen Kreis. 3 zeigt, dass jede magnetische Feldlinie 32 von dem jeweiligen Permanentmagneten 26 ausgehend durch einen Radialabschnitt 24, durch einen Bremsabschnitt 20, durch einen Ringabschnitt 18, durch einen weiteren Bremsabschnitt 20 und durch einen weiteren Radialabschnitt 24 verläuft, bis sie in dem Permanentmagneten 26 den Ausgangspunkt wieder erreicht und dadurch einen geschlossenen magnetischen Kreis beschreibt.
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3 zeigt das Bremssystem 10 in unbestromtem Zustand. Der in 3 dargestellte Betriebszustand kann sich auch einstellen, wenn nur ein vergleichsweise geringer Strom durch die Spulen 28A–28D fließt, so dass das Magnetfeld der Permanentmagneten 26 nicht erkennbar oder nur geringfügig gestört wird.
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Aufgrund der Geometrie und der Reluktanz in dem magnetisierbaren Material erfährt der Rotor eine Kraft, die versucht, den magnetischen Widerstand entlang der Magnetfeldlinien 32 zu minimieren. Diese Kraft kann als Reluktanzkraft bezeichnet werden. Infolge der Reluktanzkraft werden die Bremsabschnitte 20 des Rotors 14 in Richtung der Permanentmagnete 26 bzw. der entsprechenden Radialabschnitte 24 des Stators 12 bewegt, bis sich die Bremsabschnitte 20 in einer einem jeweiligen Radialabschnitt 26 gegenüberliegenden Position befinden. Diese Stellung des Rotors 14 wird als Vorzugsstellung des Rotors 14 bezeichnet, in der der Rotor 14 gegen die Rotationsbewegung gesperrt bzw. gehemmt ist. Ein durch die Reluktanzkraft hervorgerufenes Drehmoment auf den Rotor 14 muss überwunden werden, um den Rotor 14 aus dieser Vorzugsstellung zu bewegen.
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4 zeigt eine weitere schematische Querschnittsansicht des Bremssystems 10 mit den Magnetfeldlinien des resultierenden Magnetfeldes, wenn die Spulen 28A–28D bestromt sind im Freilauf-Betrieb.
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Die Spulen 28A–28D werden so bestromt, dass die Spulen-Magnetfelder den Magnetfeldern der Permanentmagnete 26 entgegenwirken und sie dadurch abschwächen bzw. zumindest teilweise kompensieren. Infolgedessen nimmt die Reluktanzkraft auf den Rotor 14 und somit das den Rotor 14 in der Vorzugsstellung sperrende Drehmoment ab. Der Rotor 14 kann unter Aufbringen eines relativen geringen Drehmoments, beispielsweise hervorgerufen durch die Schwerkraft eines über eine Welle an das Bremssystem 10 angekoppelten Körpers, in eine Rotationsbewegung versetzt werden.
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Das Bremssystem 10 kann besonders vorteilhaft bei Maschinen, Vorrichtungen und/oder Verbindungen von Bauelementen eingesetzt werden, bei welchen eine Drehung eines Elements dauerhaft oder zumindest für eine Zeitdauer, die in der Größenordnung mit der aktiven Bewegungsdauer vergleichbar ist, verhindert werden soll. Zu diesem Zweck kann es vorteilhaft sein, das Bremssystem 10 mit einem Antriebselement (z. B. Elektromotor), einem Getriebe und/oder einem Generator zu koppeln. Beispielsweise kann das Bremssystem 10 zum Sperren der Abwärtsbewegung eines Rollladens eingesetzt werden, wobei ein Getriebe das Bremssystem 10 mit dem Rollladen koppelt.
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Es ist ferner denkbar, dass das Bremssystem 10, das in den 1 bis 4 als ein Außenläufer ausgebildet ist, als ein Innenläufer auszugestalten. In dieser Ausführungsform kann der Stator einen Ringabschnitt und einen oder mehrere Radialabschnitte aufweisen, die sich jeweils von dem Ringabschnitt radial nach innen ausdehnen. Der Rotor kann den Radialabschnitten des Stators entsprechende Bremsabschnitte aufweisen. Ein oder mehrere Permanentmagnete können in einem oder mehreren Radialabschnitten aufgenommen sein. Eine oder mehrere Spulen können um einen oder mehrere Radialabschnitte gewickelt sein. Aufgrund der Reluktanz und der Geometrie des Rotors kann eine Bremswirkung erzielt werden, die den Rotor in einer Vorzugsstellung gegen die Rotationsbewegung sperrt, in welcher die Bremsabschnitte den jeweiligen Radialabschnitten gegenüberliegend positioniert sind.
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Es ist ferner denkbar, dass die Permanentmagnete 26, deren Ausrichtungen in 1 bis 4 entgegengerichtet, d. h. antiparallel, dargestellt sind, parallel angeordnet werden. In dieser Ausführungsform könnten die Spulen 28A–28D den Richtungen der Magnetfeldvektoren entsprechend umgepolt werden, indem die Wicklungen umgekehrt und/oder die Stromrichtung bei der Bestromung angepasst werden.
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Es ist ferner denkbar, dass die Anzahl der Radialabschnitte 24 des Stators 12 zwei, drei, fünf oder mehr beträgt. Auch die Anzahl der Permanentmagnete, die in den Radialabschnitten 24 aufgenommen oder von diesen getragen werden, kann variiert werden, z. B. zwei, drei, vier oder sechs. In diesen Ausführungsformen kann die Anzahl der Spulen 28A–28D an die Anzahl der Permanentmagnete 26 angepasst werden. Die Permanentmagnete 26 können auch nicht-achsensymmetrisch angeordnet sein.
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In weiteren Ausführungsformen kann die Bestromung nach Anforderung modifiziert werden. z. B. kann nur ein Teil der Spulen 28A–28D bestromt werden, um die bremsende Wirkung des Bremssystems 10 teilweise zu reduzieren und/oder den Eintritt der bremsenden Wirkung geschmeidig zu gestalten.
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Das Rotorelement 14 und/oder das Statorelement 12 können aus mehreren Blechschnitten zusammengesetzt sein. Insbesondere umfassen der Kernabschnitt 22 und die Radialabschnitte 24 des Statorelements 12, und/oder der Ringabschnitt 18 und die Bremsabschnitte 20 des Rotorelements 14 zumindest teilweise ein magnetisierbares Material, beispielsweise Eisen, Nickel oder Kobalt.
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5. zeigt ein beispielhaftes Drehmoment-Drehwinkel-Diagramm 38 des Bremssystems 10 der 1, 3 und 4.
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Das Diagramm 38 zeigt Ergebnisse aus einer Reihe von Computer-Simulationen. Bei dem Drehwinkel („Angle”) handelt es sich um einen Auslenkungswinkel des Rotors 14 relativ zu dem Stator 12 und der Vorzugsstellung, die in 1, 3 und 4 dargestellt ist. Kurven 40, 42 zeigen jeweils den Verlauf des auf den Rotor 14 wirkenden Drehmoments in Abhängigkeit von dem Auslenkungswinkel. Die gestrichelte Kurve 40 zeigt dabei den Verlauf in unbestromtem Zustand der Spulen 28A–28D. Die durchgezogene Kurve 42 zeigt den Verlauf, wenn die Spulen 28A–28D mit einer Stromstärke von z. B. 10 Ampere bestromt werden.
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Die Kurve 40 zeigt ein rückstellendes Drehmoment auf den Rotor 14 bei Auslenkungswinkeln von kleiner als 45° in Bezug auf die Ausgangs-Vorzugsstellung, in der ein Radialabschnitt 24 einem Bremsabschnitt 20 gegenüberliegt. Das heißt, dass die Reluktanzkraft bei kleinen Auslenkungen bis 45° gegen die Auslenkung wirkt und so den Rotor 14 in die Ausgangs-Vorzugsstellung zurück zwingt. Bei Auslenkungen von größer als 45° wirkt ein positives Drehmoment auf den Rotor 14. Das heißt, dass der Rotor 14 in Richtung der Auslenkung beschleunigt wird, bis ein Auslenkungswinkel von 90° erreicht ist. Bei dem Auslenkungswinkel von 90° liegt der zweite Radialabschnitt 24 des Stators 12 dem benachbarten Bremsabschnitt gegenüber, so dass die nächste Vorzugsstellung des Rotors 14 erreicht ist. Der Rotor 14 wird also hin zu der zweiten Vorzugsstellung beschleunigt.
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Die Kurve 42, die dem bestromten Zustand entspricht, zeigt ebenfalls ein rückstellendes Drehmoment bei Auslenkungswinkeln von kleiner als 45° und ein positives Drehmoment bei Auslenkungswinkeln von 45° bis 90°. Obgleich die Kurven 40, 42 einen gleichen relativen Verlauf zeigen, unterscheiden sie sich in ihren Amplituden. So betragen die Maxima 44, 46 der Kurve 40 ca. 115 mNm, während die Maxima 48, 50 der Kurve 42 ca. 15 mNm betragen. Auch der Durchschnittswert der Kurve 40 beträgt ca. 50 mNm, während derjenige der Kurve 42 unter 10 mNm liegt.
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Beide Kurven 40, 42 zeigen jeweils ein lokales Minimum 44, 48 bei dem Auslenkungswinkel von ca. 32° und ein lokales Maximum 46, 50 bei dem Auslenkungswinkel von ca. 58°. Der Schnittpunkt 52 der Kurven 40, 42 mit der Null-Linie des Drehmoments, d. h. der Umkehrpunkt, bei dem das Vorzeichen des auf den Rotor 14 wirkenden Drehmoments umkehrt, liegt bei 45°. Insgesamt zeigen die Kurven 40, 42 eine Punktsymmetrie bezüglich des Umkehrpunkts 52.
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Die Maxima 44, 46 kennzeichnen jeweils denjenigen Auslenkungswinkel, bei dem das auf den Rotor 14 wirkende Drehmoment am stärksten ist. Demzufolge wird im Bremsbetrieb des Bremssystems 10 ein externes Drehmoment von mehr als 115 mNm benötigt, um den Rotor 14 aus der Vorzugsstellung heraus in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Falls das externe Drehmoment kleiner als 115 mNm beträgt, wird der Rotor 14 um einen Auslenkungswinkel von maximal 32° ausgelenkt und wieder zurück in die Vorzugsstellung beschleunigt. Daraus kann eine gedämpfte Schwingung des Rotors 14 um die Vorzugsstellung resultieren. In bestromtem Zustand ist nur noch ein Drehmoment von maximal 15 mNm nötig, um den Rotor 14 aus seiner Vorzugsstellung auszulenken und in Drehung zu versetzen.
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Die der Simulation zugrunde liegenden Daten sind in 5 angegeben. Die Spulen 28A–28D weisen in dem gezeigten Beispiel einen Außendurchmesser von 39 mm, eine Länge von 30 mm und 20 Windungen auf. Die Spulen 28A–28D werden mit einer Stromstärke von 10 A bestromt. Der Verlauf der Kurve 42 zeigt, dass die bremsende Wirkung des Bremssystems 10 mit einem externen Drehmoment von 15 mNm relativ leicht überwunden werden kann, wenn die Spulen 28A–28D mit Strom versorgt werden. Durch die Bestromung der Spulen 28A–28D kann folglich die bremsende Wirkung des Bremssystems 10 kompensiert werden.
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6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Antriebssystems 54 mit dem Bremssystem 10. Das Antriebssystem 54 umfasst in dem gezeigten Beispiel einen Elektromotor 56, der über eine Welle 58 mit dem Bremssystem 10 gekoppelt ist. Ein Gehäuse 60 nimmt den Elektromotor 56 und das Bremssystem 10 auf. Der Elektromotor 56 umfasst einen Stator 62 und einen Rotor 64, die koaxial zu der Rotationsachse C sind. Der Elektromotor 56 ist als ein Innenläufer gebildet, wobei der Rotor 64 über zwei Kugellager 66 auf der Welle 58 gelagert ist, und der Stator 62 ortsfest an dem Gehäuse 66 befestigt ist. Insbesondere ist das Antriebssystem 54 zum Auf- und Abwärtsbewegen eines Rollladens eingerichtet.
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Im Freilauf-Betrieb erzeugt der Elektromotor 56 ein Drehmoment, welches über die Kugellager 66 an die Welle 58 übertragen wird. Die Spulen 28A–28D des Bremssystems 10 werden bestromt, um die Drehung der Welle 58 nicht zu stören. Im Bremsbetrieb wird der Elektromotor 54 abgestellt, und die Spulen 28A–28D werden nicht bestromt. Demnach wird die Welle 58 infolge der Reluktanzkraft des Bremssystems 10 in der Position festgehalten, sofern das Drehmoment, das aufgrund der Schwerkraft des Rollladens auf die Welle 58 wirkt, das z. B. in 5 gezeigte, maximale Drehmoment von ca. 115 mNm nicht übersteigt. Um die Welle 58 wieder in Drehung zu versetzen, werden die Spulen 28A–28D wieder bestromt, so dass die Reluktanzkraft des Bremssystems 10 kompensiert wird.
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Das vorgeschlagene Bremssystem 10 benötigt eine Stromzufuhr nur dann, wenn die Bremswirkung nicht aufrechterhalten werden soll. Dadurch kann der elektrische Energieverbrauch gegenüber herkömmlichen Bremssystemen, die eine ständige Stromzufuhr für die Aufrechterhaltung der Bremswirkung benötigen, erheblich gesenkt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bremssystem
- 12
- Statorelement
- 14
- Rotorelement
- 16
- Hohlraum
- 18
- Rotorring
- 20
- Bremsabschnitt
- 22
- Kernabschnitt
- 24
- Radialabschnitt
- 26
- Permanentmagnet
- 28A–28D
- Spule
- 30
- Stromrichtung
- 32, 34
- Magnetfeldlinie
- 36
- Magnetfeldvektor
- 38
- Diagramm
- 40, 42
- Kurve
- 44–50
- Maximum
- 52
- Schnittpunkt
- 54
- Antriebssystem
- 56
- Elektromotor
- 58
- Welle
- 60
- Gehäuse
- 62
- Stator
- 64
- Rotor
- 66
- Lager
- C
- Rotationsachse
- L
- Hilfslinie
- V
- Magnetfeldvektor
