DE4312221A1 - Hysteresemitnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hysteresemitnehmer nach Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Hysteresemitnehmer ist als Hysteresebremse oder als Hysteresekupplung allgemein bekannt. Üblicherweise sind derartige Hysteresemitnehmer so aufgebaut, daß der Läufer aus einem hartmag­ netischen Material besteht.

Hartmagnetisch im Sinn dieser Anmeldung heißt, daß ein eingepräg­ ter Magnetismus beibehalten wird, auch wenn die magnetische Durch­ flutung in Folge eines Spulenstroms aufhört. Dagegen sind die Pole der beiden Statoren, die beidseits des Läufers aus hartmagneti­ schem Material angeordnet sind, aus einem weichmagnetischen Mate­ rial.

Weichmagnetisch im Sinn dieser Anmeldung heißt, daß mit Ausschal­ ten des elektrischen Stroms der Stator seine magnetischen Eigen­ schaften verliert.

Die Anordnung der Magnetpole ist derart, daß die von einer elek­ trischen Spule erzeugte magnetische Durchflutung eine Ausrichtung der Elementarmagnete in dein Läufer bewirkt, welche im wesentlichen in Bewegungsrichtung liegt.

Die mit einer solchen Hysteresebremse erzeugte Bremswirkung hängt dabei unter anderem ab von dem Spulenstrom. Vorteilhaft sind derartige Mitnehmern insbesondere dann, wenn es um feine Dosier­ barkeit, Verschleißfreiheit und Standfestigkeit geht.

In einer besonderen Bauform sind derartige Hysteresemitnehmer derart aufgebaut, daß ein ortsfester Stator einen drehbar gelager­ ten Rotor aufnimmt. Der Stator bildet hierzu einen ringförmigen Spalt, der beidseitig des drehbaren Rotorrings angeordnet ist.

Es soll ausdrücklich gesagt sein, daß im Rahmen der vorliegenden Anmeldung stets sowohl Hysteresebremsen als auch Hysteresekupplun­ gen gemeint sind, auch wenn dies nicht besonders hervorgehoben sein soll.

Obwohl sich derartige Hysteresemitnehmer in der Praxis hervor­ ragend bewährt haben, bieten sie einen ganz entscheidenden Nach­ teil. In Folge der hartmagnetischen Eigenschaften des Läufers bleibt der aufgeprägte Magnetismus nach Beendigung des Kupplungs- oder Bremsvorgangs erhalten. Dies führt beim erneuten Benutzen zu einem Rubbeleffekt. Die damit verbundene Mitnehmerwelligkeit ist unerwünscht, je nach Einsatzzweck sogar schädlich. Inbesondere dann, wenn der Hysteresemitnehmer als Hysteresebremse zum Abbrem­ sen von wenig reißfesten Materialien dient, besteht die Gefahr, daß die Welligkeit beim Wiederanfahren zu einer Zerstörung der Materialbahn führt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Welligkeit zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird bei dem bekannten Hysteresemitnehmer gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Aus der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß ohne weitere elek­ tronische Maßnahmen die Mitnehmerwelligkeit in hohem Maße elimi­ niert ist.

Dabei kann davon ausgegangen werden daß der Einfluß der Welligkeit mit der Anzahl der Gruppen sinkt. Bereits mit zwei Gruppen lassen sich die meisten Anwendungsfälle zufriedenstellend lösen. Dagegen ist mit steigender Anzahl von Gruppen eine zunehmend feinere Unterteilung der Welligkeit mit Zunahme der Frequenz und Abnahme der Amplitude zu erwarten.

Dies bedeutet im einzelnen, daß bei erfindungsgemäßer Anordnung der Magnetpole die Welligkeit auch vollständig eliminierbar ist, ohne daß elektronische Maßnahmen vorgesehen werden müßten.

Hierzu wären die Magnetpole in unendlich viele Gruppen einzu­ teilen, und alle Gruppen zueinander so zu versetzen, daß sich kontinuierliche Verbindungslinien der Magnetpole einer-Sorte er­ geben.

Es darf jedoch nicht übersehen werden, daß die Welligkeit prin­ zipiell mit elektronischen Maßnahmen verhindert werden kann, die zusammen mit den Maßnahmen nach Anspruch 1 Anwendung finden kön­ nen:

Derartige elektronische Maßnahmen sind zum Beispiel das Anlegen einer Wechselspannung an die stromdurchflossene Spule, deren Amplituden zusehends abklingen, um die, allgemein bekannte, Hystereseschleife zu verkleinern.

Das Problem bei diesem Verfahren muß in einem relativ undefinier­ ten Umpolungsverhalten gesehen werden. Im übrigen ist das Ergeb­ nis, selbst wenn es die Mitnehmerwelligkeit verhindert, stets zeitabhängig.

Eine Magnetisierung von NULL setzt nämlich das Ausschalten des elektrischen Wechselstroms in einem bestimmten Zeitpunkt, nämlich beim Nulldurchgang, voraus. Vorher muß jedoch die Amplitude des Wechselstroms auf einen sehr kleinen Wert heruntergefahren sein.

Hierfür ist hoher elektronischer Aufwand erforderlich.

Im übrigen kann das Anlegen einer Wechselspannung bei derartigen Mitnehmern auch zu einem Motoreffekt führen, der unerwünscht ist.

Alle diese Nachteile beseitigt die Erfindung mit einfachsten Mitteln.

Die Erfindung hat nämlich erkannt, daß bei einer Aufteilung aller Magnetpole des Hysteresemitnehmers nach der Lehre des Anspruchs l mit rein mechanischen Maßnahmen die Welligkeit beseitigt ist.

Hierfür ist es erforderlich, wenigstens zwei Gruppen zugeordneter NORD-SÜD-Magnetpole zu bilden und die Nordpole der einen Gruppe dort anzuordnen, wo die Nordpole der anderen Gruppe ihre nichtmag­ netischen Zonen haben. Auf diese Weise läßt sich eine kontinuier­ liche Magnetwirkung entlang des Weges des Läufers erzielen, so daß die intermittierende Magnetwirkung der bekannten Bauart im wesent­ lichen eliminiert ist, mit zunehmender Anzahl von Gruppen (z. B. 20) nahezu vollständig.

Erfindungsgemäß können zwei oder mehrere Gruppen von Magnetpolen gebildet werden, wobei es wesentlich ist, daß entlang des Weges des Läufers überall und ohne Unterbrechung des Magnetflusses eine gleichbleibende Anzahl von Magnetpolen auf den Läufer einwirkt.

Dabei wird davon ausgegangen, daß der Rubbeleffekt bzw. die Wel­ ligkeit durch den unvermeidbaren Polversatz zustande kommt, durch welchen zwischen den Magnetpolen einer Sorte (z. B. den Nordpolen) nichtmagnetische Zonen entstehen. In Verbindung mit dem magne­ tisierten Läufer wird folglich bei dessen Bewegung zwischen den nicht mehr magnetischen Magnetpolen des Stators eine auf- und abschwellende Kraft einwirken, wenn Zonen des Läufers mit aus­ geprägtem Restmagnetismus an den ehemaligen Magnetpolen des Stators vorbeilaufen. In den nichtmagnetischen Zonen dagegen wird die auf den Läufer wirkende Magnetkraft sehr gering bleiben, solange nicht von der Erfindung Gebrauch gemacht wird.

In diesem Fall nämlich wirkt auf den Läufer entlang seines Weges stets ein Kraft von im wesentlichen gleicher Größe. Damit ist die Welligkeit im wesentlichen beseitigt.

Die Gruppen der Magnetpole können eine fest installierte Position relativ zueinander haben oder zueinander einstellbar sein.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 läßt eine im wesentlichen lück­ enlose Beseitigung der Welligkeit erwarten.

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 kommt bei im wesentlichen lück­ enloser Beseitigung der Welligkeit mit der geringsten Anzahl von Magnetpolgruppen aus.

Die Weiterbildung nach Anspruch 4 kommt einer kompakten Bauform zugute.

Die Weiterbildung nach Anspruch 5 bedarf keiner weiteren Abschirm­ maßnahmen. Hierbei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die Konzentration der magnetischen Feldlinien innerhalb der weich­ magnetischen Materialien erheblich höher sein wird, als z. B. in Luft. Deshalb genügt ein hinreichender Abstand der Magnetpolgrup­ pen zueinander, um gegenseitigen Einfluß zu unterbinden.

Die Weiterbildung nach Anspruch 6 bietet den Vorteil einer Verwend­ ung der Erfindung an drehenden Maschinenteilen und deckt somit die meisten Anwendungsfälle für den Einsatz der Erfindung als Bremse oder Kupplung ab.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit linearer Bewegungsrichtung,

Fig. 2 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 entlang der Linie II-II,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit rotierender Bewegungsrichtung,

Fig. 4 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 entlang der Linie IV-IV in Abwicklung.

Sofern im folgenden nichts anderes gesagt ist, gilt die folgende Beschreibung stets für alle Fig. 1 bis 4.

Die Figuren zeigen das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Hysteresemitnehmers 1. Ein derartiger Hysteresemitnehmer besteht aus zwei sich gegenüberliegenden Statoren 3, welche zwischen sich einen Spalt 2 bilden. In dem Spalt 2 ist ein Läufer 4 bewegbar angeordnet, welcher im Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 in Längs­ richtung, also normal zur Zeichenebene, und beim Ausführungs­ beispiel gem. Fig. 3 rotierend um die Drehachse 10 bewegbar ist. In beiden Fällen besteht der Läufer aus hartmagnetischem Material und ist im wesentlichen parallel und relativ zu den Statoren bewegbar.

Jeder der Statoren weist, - in Bewegungsrichtung gesehen -, eine Vielzahl von induktiv aktivierbaren Magnetpolen 5 aus weichmag­ netischem Material auf. Die Magnetpole bilden zueinander einen vorgegebenen Polabstand T, im folgenden auch Teilung genannt.

Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Magnetpolen einer Sorte sind Zonen ausgebildet, die als nichtmagnetische Zonen 9 bezeich­ net werden.

Auf jeweils einer der Seiten des Läufers sind Magnetpole einer Sorte angeordnet. Die als Nordpole bezeichneten Magnetpole liegen also ausschließlich auf einer der Seiten des Läufers, während die als Südpole bezeichneten Magnetpole auf der anderen der Seiten des Läufers liegen.

Dabei sind die Nordpole zu den Südpolen um einen Bruchteil der Teilung T/n versetzt. In den vorliegenden Fällen sind die Nordpole zu den Südpolen um genau T/2 zueinander versetzt und die Erstreck­ ung der Magnetpole in Bewegungsrichtung des Läufers ist ebenfalls T/2, dies jedoch ohne Einschränkung der Erfindung auf diesen Sonderfall. Genauso könnte der Polversatz T/5, T/13, T/14 oder dgl. sein, z. B. um eine feinere Unterteilung zu erhalten.

Wesentlich ist nun, daß alle Magnetpole einer Sorte, also alle Nordpole und alle Südpole in wenigstens zwei Gruppen aufgeteilt sind, hier in zwei Gruppen, jedoch ohne Einschränkung der Erfin­ dung auf diesen Sonderfall.

Dabei sind die Gruppen der Magnetpole gleicher Sorte in Bewegungs­ richtung des Läufers 4 zueinander versetzt oder versetzbar, und bilden auf diese Weise einen Gruppenversatz. Der Betrag des Grup­ penversatzes ist so gewählt, daß die Magnetpole einer der Gruppen im wesentlichen in den nichtmagnetischen Zonen 9 der anderen Gruppe, bzw. bei mehr als zwei Gruppen, der anderen Gruppen, wirken.

Dies zeigen die Fig. 2 und 4.

Wie man erkennt, liegen die Magnetpole der Gruppe I und die Mag­ netpole der Gruppe 11 jeweils in einer separaten Normalebene des Läufers 4. Dabei liegen die Nordpole der Gruppe I zu den Südpolen der Gruppe I wechselseitig bezüglich des Läufers 4 und zwar so, daß die Nordpole in den Bereichen liegen, wo die nichtmagnetischen Zonen der Südpole derselben Gruppe liegen, und umgekehrt.

In Fig. 2 sind dies die mit 3.I.l bzw. 3.I.r bezeichneten Stato­ ren. Zwischen den Magnetpolen liegen die nichtmagnetischen Zonen, hier gepunktete Bereiche, ausgebildet als Ausnehmungen aus den Statoren. Insoweit wird auf den Stand der Technik verwiesen.

In einer darunterliegenden Normalebene bzgl. des Läufers 4 liegen die Magnetpole der Gruppe II, die bezüglich einander dieselbe Anordnung haben, wie die Magnetpole der Gruppe I. Dies bedeutet, daß alle Magnetpole einer Sorte auf einer der Seiten des Läufers 4 liegen und daß zwischen allen Magnetpolen 5 einer Sorte jeweils nichtmagnetische Zonen ausgebildet sind. Diese Magnetpole sitzen an den mit 3.II.l bzw. 3.II.r bezeichneten Statoren.

Wesentlich ist nun, daß die Magnetpole der Gruppe I zu den Magnet­ polen der Gruppe II in der Bewegungsrichtung 11 des Läufers 4 derart versetzt oder versetzbar sind, daß die Nordpole zusammen mit den Südpolen der einen Gruppe (z. B. der Gruppe I) in den­ jenigen Läuferstellungen auf den Läufer wirken, in denen die Nordpole zusammen mit den Südpolen der anderen Gruppe nicht oder nur unwesentlich auf den Läufer wirken.

Dabei wird davon ausgegangen, daß der hartmagnetische Läufer auch beim Ausschalten des Stroms ausgeprägte Zonen mit bestimmter magnetischer Orientierung behält. Bei Bewegung des Läufers in diesem Zustand vorbei an den weichmagnetischen Zonen des Stators kommt es zu magnetischer Anziehung, welche ursächlich für die Welligkeit ist, die Dank der Erfindung zumindest wesentlich ver­ mieden werden kann.

Der Entstehung der Welligkeit wird die folgende Theorie zugrunde gelegt:

Beim Betrieb des Hysteresemitnehmers wird mit Hilfe einer elek­ trischen Spule eine magnetische Durchflutung im Stator erzeugt. Wie man anhand Fig. 1 und 3 erkennt, dient hierzu jeweils eine elektrische Spule 7, welche, weil stromdurchflossen, ein Magnet­ feld induziert, dargestellt anhand der magnetischen Feldlinien 8.

Dieses Magnetfeld erzeugt eine magnetische Durchflutung 12, sym­ bolisch dargestellt in Fig. 4, die vom Nordpol zum Südpol der Magnetpole jeder Gruppe verläuft und dabei die Elementarmagnete des Läufers 4 entsprechend ausrichtet. Diese Ausrichtung verbleibt dem Läufer aufgrund seines Materials (= hartmagnetisch) aufgeprägt auch nachdem die elektrische Spule 7 ausgeschaltet wurde. Hingegen verliert der Stator aufgrund seines Materials (=weichmagnetisch) die magnetische Polarisierung. Insoweit wird ergänzend auf den Stand der Technik Bezug genommen.

Führt man nun den Läufer 4 nach Ausschalten des Stroms durch die Spule 7 zwischen den Statoren hindurch, so kommt es zu einer mag­ netischen Induktion von der eingeprägten Orientierung der Elemen­ tarmagnete des Läufers, die in bestimmten Läuferpositionen dazu führt, daß die Anziehungskräfte der induzierten Nord- bzw. Südpole des weichmagnetischen Stators versuchen, den Läufer zu bremsen bzw. abzustoßen. Hierdurch entsteht die Welligkeit nach Ausschal­ ten des elektrischen Stroms durch die Spule 7.

Es ist ersichtlich, daß die Magnetpole einer Gruppe örtlich voll­ kommen unabhängig von den Magnetpolen der anderen Gruppe bzw. der anderen Gruppen angeordnet werden können. Wichtig ist, daß die Magnetpole aller Gruppen physikalisch zusammenhängend liegen, also so auf den Läufer 4 wirken, als wären sie, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, gemeinsam am Läufer 4 angeordnet.

Im Falle, daß der Hysteresemitnehmer als rotierender Mitnehmer ausgebildet ist, liegen die Magnetpole aller Gruppen dann physi­ kalisch zusammenhängend vor, wenn sie wie ein einziger Topfmagnet auf den Läufer wirken. Entsprechend gilt für Hysteresemitnehmer der linearen Bauart, daß im Idealfall alle Magnetpole wie ein einziger Stabmagnet auf den Läufer wirken sollen.

Insofern zeigt Fig. 4 die physikalische Idealanordnung, die durch Superposition der Wirkungen bei einer räumlichen Anordnung gemäß Fig. 3 entsteht. Dabei kann eine geringfügige Nichtüberlappung, eine NULL-Überlappung oder eine geringfügige Überlappung der Mag­ netpole einer Sorte stattfinden, ohne daß die prinzipielle Lösung verlassen wird.

Zur Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung der Gruppen unter­ einander kann eine Abschirmung 6 gemäß Fig. 1 vorgesehen sein. Gem. Fig. 3 kann die Abschirmung durch eine räumliche Beabstandung ohne besondere Abschirmvorrichtungen auskommen.

Die Besonderheiten der Ausführungsformen liegen nun darin, daß die Erstreckung der Magnetpole jeder Sorte in Bewegungsrichtung des Läufers 4 einem bestimmten Bruchteil 1/n der Teilung T entspricht, der hier 1/2 ist. Weiterhin ist die Anzahl der Gruppen entspre­ chend n, hier also liegen 2 Gruppen vor. Darüberhinaus ist die eine der Gruppen zur anderen der Gruppen um genau eine halbe Teilung versetzt.

Beiden Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß Läufer 4 und Stator 3 in einer Normalebene zur Bewegungsrichtung geteilt sind, und daß die Teile magnetisch voneinander abgeschirmt sind.

Darüberhinaus besteht beim Ausführungsbeispiel gem. Fig. 3 die Besonderheit, daß der Hysteresemitnehmer für den rotierenden Einsatz ausgelegt ist.

Hierzu ist der Spalt 2 in dem Stator 3 als Ringspalt ausgeführt Rotor und Stator sind entsprechend der Anzahl der Gruppen, hier in zwei Teile, bezüglich einer Normalebene der Drehachse 10 geteilt.

Der Gruppenversatz entsteht durch Verdrehung der Teile des Stators zueinander.

Der Verdrehwinkel beträgt bei z. B. einer Anzahl n Polpaaren (= Nordpole mit zugehörigen Südpolen einer Gruppe):

360 Grad/2*n.

Somit kann die Erfindung Verwendung finden an allen Vorrichtungen der Aufwickeltechnik, bei denen Endlosmaterialien, insbesondere zugempfindliche Endlosmaterialien, wie z. B. Papierbahnen, auf­ gewickelt, abgewickelt oder umgewickelt werden. Dank der Erfindung können insbesondere schwankungsempfindliche Prozesse ohne die Gefahr der Aufschaukelung durch periodische Kraftanregung mit den verschleißfreien und standfesten Hysteresemitnehmern ausgeführt werden.

Bezugszeichenliste

1 Hysteresemitnehmer
2 Spalt
3 Stator
4 Läufer
5 Magnetpol
6 Abschirmung
7 elektrische Spule
8 Feldlinien
9 nichtmagnetische Zone
10 Drehachse, Rotorwelle
11 Bewegungsrichtung
12 Durchflutung.

Claims (6)

1. Elektromagnetischer Hysteresemitnehmer (1), mit einem Spalt (2), der von sich gegenüberliegenden Statoren (3) begrenzt wird und in welchem ein Läufer (4) aus hartmagnetischem Material im wesentlichen parallel und relativ zu den Statoren bewegbar ist, wobei jeder der Statoren, - in Bewegungsrichtung gesehen -, eine Vielzahl von in­ duktiv aktivierbaren Magnetpolen (5) weichmagne­ tischen Materials mit vorgegebenem Polabstand (= Teilung T) aufweist, die auf jeweils einer der Seiten des Läufers gleiche Magnetpole bilden und zwischen denen jeweils nichtmagnetische Zonen (9) ausgebildet sind, wobei die jeweils gleichen Mag­ netpole einer Sorte (z. B.: Nordpole) zu den jeweils gleichen Magnetpolen der anderen Sorte (entsprechend: Südpole) den Versatz von einem Bruchteil der Teilung haben (Polversatz T/n), dadurch gekennzeichnet, daß

• 1.1 die Magnetpole jeder Sorte in wenigstens zwei Gruppen (I, II) aufgeteilt sind, und daß
• 1.2 die Gruppen in Bewegungsrichtung des Läufers (4) derart zueinander versetzt oder versetzbar sind (Gruppenversatz), daß
• 1.3 die Magnetpole einer der Gruppen im wesentlichen in den nichtmagnetischen Zonen (9) der anderen Gruppe(n) wirksam sind.

2. Hysteresemitnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Erstreckung der Magnetpole jeder Sorte in Bewegungsrichtung des Läufers (4) im wesentlichen Teilung * 1/n ist, und daß
die Anzahl der Gruppen n ist, wobei n eine natür­ liche Zahl größer EINS repräsentiert, die vorzugsweise für beide Gruppen identisch ist.

3. Hysteresemitnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• 3.1 der Polversatz (T/n) sowie die Erstreck­ ung der Magnetpole in Bewegungsrichtung des Läufers im wesentlichen jeweils die Hälfte der Teilung ist (n=2), und daß
• 3.2 die Magnetpole jeder Sorte in genau zwei Gruppen aufgeteilt sind, und daß
• 3.3 die eine der Gruppen zur anderen der Gruppen um eine halbe Teilung versetzt oder versetzbar ist (Gruppenversatz).

4. Hysteresemitnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Läufer und Stator in einer Normalebene zur Bewe­ gungsrichtung entsprechend der Anzahl der Gruppen geteilt und die jeweils den Läufer bzw. den Sta­ tor bildenden Teile magnetisch voneinander abge­ schirmt (6) sind.

5. Hysteresemitnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung durch Anordnung der jeweiligen Teile mit derartigem Abstand vonein­ ander angeordnet erfolgt, daß die magnetischen Feldlinien (8) im wesentlichen nur durch die jeweiligen Teile verlaufen.

6. Hysteresemitnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Spalt (2) als Ringspalt in einem weichmag­ netischen Kern ausgebildet ist, und daß
der Läufer (4) Bestandteil eines ringförmigen Rotors ist, der drehfest auf einer drehbar gela­ gerten Rotorwelle (10) sitzt, wobei
Rotor und Stator entsprechend der Anzahl der Gruppen normal zur Drehachse geteilt sind, und wobei
der Gruppenversatz der Magnetpole durch Verdreh­ ung der Teile des Rotors gegeneinander erzeugt wird oder erzeugbar ist.