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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kopplungsvorrichtung
des selbsthaltenden Typs mit einem Anker und einem
magnetischen Pfadelement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine
derartige Kopplungsvorrichtung ist aus der DE-A-24 60 121
bekannt. Das magnetische Pfadelement dieser bekannten
Kopplungsvorrichtung weist einen radialen Raum an den Stirnenden auf.
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Kopplungsvorrichtung des selbsthaltenden Typs können mit einem
rotierenden Körper verbunden werden, um die Rotation des
rotierenden Körpers zu bremsen, oder mit einer
Kupplungsvorrichtung des selbsthaltenden Typs, die mit einem rotierenden
Körper verbunden ist und die Rotation des rotierenden Körpers auf
einen anderen rotierenden Körper überträgt.
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr beispielhaft anhand
einer herkömmlichen elektromagnetischen Bremsvorrichtung
beschrieben. Bei einer herkömmlichen elektromagnetischen
Bremsvorrichtung, in der eine Magnetspule verwendet wird, wird ein
Anker bei nicht eingeschalteter Magnetspule mittels einer von
einer Feder ausgeübten mechanischen Kraft gegen einen Läufer
gepresst und die Bremsoperation erfolgt durch die
Reibungskraft. Bei eingeschalteter Magnetspule wird eine
elektromagnetische Kraft ausgeübt, so dass der Anker vom Läufer
getrennt wird und der Läufer so von der Beschränkung durch die
Bremsvorrichtung freigegeben wird.
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Bricht jedoch die Feder, während die Bremsvorrichtung
arbeitet, wird die Bremsoperation aufgehoben. Wird im Gegensatz
dazu die Erzeugung der elektromagnetischen Kraft aufgrund
eines Ausfalls der Magnetspule oder Problemen mit der
Spannungsversorgung unterbrochen, hält der Bremszustand der
Bremsvorrichtung an.
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Des Weiteren ist eine anhaltende Spannungsversorgung
erforderlich, während die Bremsvorrichtung abgekoppelt ist. Die
Federkraft und dementsprechend die Anziehungskraft der
Magnetspule müssen erhöht werden, um die Bremskraft zu
erhöhen, der mit der Magnetspule gelieferte elektrische Strom
muss entsprechend erhöht werden und die Leistungsaufnahme
nimmt unweigerlich zu.
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Bei der herkömmlichen elektromagnetischen Bremsvorrichtung
wird ein Bremsklotz mittels einer von der Feder erzeugten
mechanischen Kraft in Kontakt mit dem rotierenden Körper
gebracht, um Bremskraft zu erzeugen. Bei abgenutztem Bremsklotz
nimmt die Dehnung der Feder zu und dementsprechend die
Presskraft der Feder ab. Als Ergebnis wird die Bremskraft geringer.
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Die obige Erklärung erfolgte anhand einer elektromagnetischen
Bremsvorrichtung; ähnliche Probleme können bei einer
elektromagnetischen Kupplungsvorrichtung auftreten, bei der Kopplung
und Entkopplung zwischen rotierenden Körpern vorgenommen
werden.
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Im Vergleich zum oben genannten Stand der Technik ist es die
technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Kopplungsvorrichtung des selbsthaltenden Typs bereitzustellen, die eine
einfache und kompakte Konstruktion aufweist.
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Eine derartige Kopplungsvorrichtung ist in Anspruch 1
beschrieben. Bevorzugte Ausführungsformen dieser
Kopplungsvorrichtung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einer solchen Kopplungsvorrichtung des selbsthaltenden
Typs wird die Magnetkraft eines Dauermagneten verwendet, um
die Zustände aktiviert/deaktiviert zu halten, und elektrische
Spannung ist nur erforderlich, wenn der Zustand zwischen
aktiviert und deaktiviert umgeschaltet wird, wobei bei dieser
Anordnung die Feder entfällt, der aktivierte und deaktivierte
Zustand werden nicht aufgrund von Problemen und/oder Beschädigung
der Bestandteile umgeschaltet, eine Verringerung der
Kopplungskraft aufgrund des Abriebs des Klotzes tritt nicht
ein und die Leistungsaufnahme kann deutlich verringert werden.
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Der Anker kann so konstruiert sein, dass er in axialer
Richtung beweglich und nicht drehbar ist, wodurch er eine
elektromagnetische Bremse zum Bremsen eine rotierenden Körpers
darstellt. Des Weiteren kann der Anker so konstruiert sein, dass
er in axialer Richtung beweglich und drehbar ist, wodurch er
eine elektromagnetische Kupplung zum Übertragung der Rotation
zwischen den rotierenden Körpern darstellt. Darüber hinaus
kann der rotierende Körper an einer Spindel eines Motors
befestigt sein, wodurch ein Bremsmotor oder ein Motor mit einer
Kupplung gebildet wird.
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Da eine Kopplungsvorrichtung des selbsthaltenden Typs
bereitgestellt wird, ändern sich die Brems- oder Kupplungszustände
(aktiviert/deaktiviert) nicht versehentlich aufgrund von
Problemen mit den die Bremse oder die Kupplung bildenden
Teilen und die Sicherheit des Systems wird deutlich erhöht.
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Da das Magnetventil nur mit Spannung versorgt wird, wenn der
aktivierte Zustand geschaltet ist, kann die elektrische
Leistungsaufnahme deutlich verringert werden.
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Des Weiteren besteht die Tendenz, dass die Größe des
Luftspalts abnimmt, wenn der Bremsklotz abgenutzt wird, und als
Ergebnis nimmt die Anziehungskraft und demzufolge die
Bremskraft zu. Somit wird selbst durch Abrieb die Leistung nicht
nachteilig beeinflusst. Wird ein Anschlag an einer
vorbestimmten Position innerhalb des Luftspalts vorgesehen, können die
Presskraft (Bremskraft) während des Bremsvorgangs und die
Haltekraft während des deaktivierten Zustands beliebig
eingestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr detailliert unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert; es
zeigen:
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Fig. 1 eine Schnittansicht zur Darstellung des
Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ein magnetisches Ersatzschaltbild des in Fig. 1
dargestellten Zustands;
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Fig. 3 ein magnetisches Ersatzschaltbild zur Erläuterung des
Übergangs vom aktivierten zum deaktivierten Zustand;
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Fig. 4 eine Schnittansicht zur Darstellung des
Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung im deaktivierten Zustand;
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Fig. 5 ein magnetisches Ersatzschaltbild des in Fig. 4
dargestellten Zustands;
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Fig. 6 ein magnetisches Ersatzschaltbild zur Erläuterung des
Übergangs vom deaktivierten zum aktivierten Zustand;
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Fig. 7 eine Schnittansicht eines Bremsmotors, in dem die
vorliegende Erfindung verwirklicht ist;
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Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie 8-8 in Fig. 7;
und
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Fig. 9 eine Schnittansicht eines Motors mit einer Kupplung, in
der die vorliegende Erfindung verwirklicht ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 6 werden wir nun das
Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung erläutern, die in
einer nachstehend beschriebenen elektromagnetischen
Bremsvorrichtung des selbsthaltenden Typs verwirklicht wird.
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Die elektromagnetische Bremsvorrichtung des selbsthaltenden
Typs gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Anker 1 auf,
der in axialer Richtung beweglich angeordnet ist (horizontal
auf dem Blatt, auf dem Fig. 1 dargestellt ist), und sich nicht
um die Achse drehen kann, ein magnetisches Pfadelement 2 zur
Leitung des magnetischen Flusses durch es hindurch mit einem
C-förmigen Querschnitt wie in der Schnittdarstellung von Fig.
1 gezeigt und einem kleinen Raum, in dem die axiale Bewegung
des Ankers 1 möglich ist, eine im Raum des magnetischen
Pfadelements 2 aufgenommene elektromagnetische Spule 3, einen
Dauermagnet 4, der an der Außenseite des Ankers 1 befestigt
ist, und nicht magnetische Element 5 und 5, die an beiden
Seiten des Dauermagneten 4 angeordnet sind. Der Anker 1 hat einen
Bremsklotz 6, der an seiner rechten Seite befestigt ist, und
wenn sich der Anker 1 im Spalt 2a (offener Raum) des
magnetischen Pfadelements bewegt wie in Fig. 1 dargestellt, so dass
er gegen einen Läufer 7 gepresst wird, der mit einer
Abtriebsspindel eines Motors (in Fig. 1 nicht dargestellt) verbunden
ist, wird der Bremsvorgang ausgeführt.
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Die magnetischen Widerstände der Luftspalte 9a und 9b, die im
Spalt 2a des offenen Raums zwischen den Enden des magnetischen
Pfadelements 2 bzw. des Ankers 1 gebildet werden, sind
proportional zu den Längen der Luftspalte 9a bzw. 9b. Die auf den
Anker 1 über die Luftspalte 9a und 9b ausgeübten
Anziehungskräfte sind proportional zum reziproken Wert der magnetischen
Widerstände der Luftspalte 9a bzw. 9b.
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Die Länge der Luftspalte 9a und 9b in der folgenden
Beschreibung sind nur beispielhaft angegeben und können je nach Hub
der Bremse, Größe der Bremse usw. außerhalb des als Beispiel
angegebenen Bereichs liegen.
(1) Bei Halten des Bremszustands in einem aktivierten Zustand:
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Um den Bremszustand in einem aktivierten Zustand zu halten wie
später beschrieben wird, wird die elektrische Spule 3 mit
Strom versorgt und der Anker 1 wird zum Läufer 7 bewegt, so
dass er sich in dem in Fig. 1 dargestellten Zustand befindet.
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Die magnetische Ersatzschaltung für diesen Zustand ist in Fig.
2 dargestellt.
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Da sich im Einzelnen der Anker 1 zum Läufer 7 bewegt, ändern
sich die Luftspalte 9a und 9b, z. B. wird der linke Luftspalt
9a 4 bis 6 mm und ist größer als der rechte Luftspalt 9b, der
0 bis 2 mm beträgt. Damit wird der Widerstand des magnetischen
Pfades R1 größer als R2. Dementsprechend wird der magnetischen
Fluss φ1 kleiner als φ2, und die Anziehungskraft F2, die im
Luftspalt 9b ausgeübt wird, wird größer als F1, die im
Luftspalt 9a ausgeübt wird. Als Ergebnis wird der Anker 1 sobald
er axial, nach rechts in Fig. 1, bewegt wird, aufgrund der
Differenz der Anziehungskräfte, d. h. der Haltekraft, die
gleich ist dem Betrag F2 minus F1, gegen den Läufer 7 gepresst
gehalten.
(2) Bei Übergang des Bremszustands vom aktivierten in den
deaktivierten Zustand:
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Wie oben beschrieben ist beim Halten des Bremszustands im
aktivierten zustand der magnetische Fluss φ1 kleiner als φ2
und die Anziehungskraft F2 ist größer als F1. Um den
Bremszustand aus diesem Zustand in einen deaktivierten Zustand zu
bringen, ist es erforderlich, den Anker 1 gegen die
Haltekraft, die gleich ist einem Betrag F2 minus F2, in einer
Richtung zu verschieben, in der er vom Läufer 7 getrennt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Bewegung des
Ankers 1 von der elektromagnetischen Spule 3 bewirkt. Die
magnetische Ersatzschaltung beim Übergang des Bremszustands
aus dem aktivierten in den deaktivierten Zustand ist in Fig. 3
dargestellt. Es ist erforderlich, dass die elektromagnetische
Spule 3 den magnetischen Fluss φ erzeugt, der wie in Fig. 3
dargestellt gerichtet ist.
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Erzeugt im Einzelnen die elektromagnetische Spule 3 den
magnetischen Fluss φ, wobei der kombinierte magnetische Fluss (φ2
minus φ) kleiner ist als (φ1 plus φ), bewegt sich der Anker 1
in einer zur oben beschriebenen Richtung entgegengesetzten
Richtung, d. h. in einer Richtung, in der sich der Anker vom
Läufer 7 trennt. Dementsprechend geht die Bremse in einen
deaktivierten Zustand.
(3) Beim Halten des Bremszustand im deaktivierten Zustand:
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Die Schnittansicht und die magnetische Ersatzschaltung unter
der Bedingung, in der sich die Bremse in einem deaktivierten
Zustand befindet, sind in Fig. 4 bzw. 5 dargestellt. Im
Einzelnen nimmt der linke Luftspalt 9a' einen Betrag zwischen
z. B. 0 und 2 mm an und ist kleiner als der rechte Luftspalt
9b', der z. B. 4 bis 6 mm beträgt, und der magnetische
Widerstand R2' wird größer als R1', der magnetische Fluss φ2' wird
kleiner als φ1'. Damit ist die Beziehung zwischen den
Anziehungskräften in den Luftspalten 9a' und 9b' derart, dass die
Anziehungskraft F1', die im Luftspalt 9a' ausgeübt wird,
größer ist als F2', die im Luftspalt 9b' ausgeübt wird. Der Anker
1 wird in einem Zustand gehalten, in dem er aufgrund der
Differenz der Anziehungskräfte, d. h. der Haltekraft, die gleich
ist dem Beträge F1' minus F2', vom Läufer 7 getrennt ist.
(4) Bei Übergang des Bremszustands vom deaktivierten in den
aktivierten Zustand:
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Die magnetische Ersatzschaltung in dem Zustand, in dem der
Bremszustand vom deaktivierten in den aktivierten Zustand
übergeht, ist in Fig. 6 dargestellt. Da wie oben beschrieben
beim Halten der Bremse in einem deaktivierten Zustand der
magnetische Fluss φ1' größer war als φ2', war die
Anziehungskraft F1' größer als F2'. Um die Bremse aus diesem Zustand in
einen aktivierten Zustand zu überführen, ist es erforderlich,
dass die elektromagnetische Spule 3 den magnetischen Fluss φ',
dessen Richtung in Fig. 6 dargestellt ist, erzeugt.
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Erzeugt im Einzelnen die elektromagnetische Spule 3 den
magnetischen Fluss φ', wobei der kombinierte magnetische Fluss (φ1'
minus φ') kleiner ist als (φ2' plus φ') in einer zur oben
beschriebenen Richtung entgegengesetzten Richtung, bewegt sich
der Anker 1 in entgegengesetzter Richtung zum Läufer 7.
Dementsprechend geht die Bremse-in einen aktivierten Zustand.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Schalter verwendet,
um die Erzeugung des magnetischen Flusses durch die
elektromagnetische Spule 3 und um die Erzeugungsrichtung des
magnetischen Flusses φ und φ' zu steuern, indem die Polaritäten der
elektrischen Spannungen geändert werden, die mit den zwei an
der elektromagnetischen Spule 3 angeschlossenen Drähten
geliefert werden, um die Erzeugungsrichtungen des magnetischen
Flusses φ und φ' durch die elektromagnetische Spule 3 zu
ändern. Dementsprechend enthält die vorliegende Erfindung einen
Schalter zum Ändern der Erzeugung und Richtung des
magnetischen Flusses durch die elektromagnetische Spule 3.
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Eine Ausführungsform, in der die vorliegende Erfindung in
einem Bremsmotor verwirklicht ist, wird nunmehr konkret
erläutert. Fig. 7 zeigt einen Bremsmotor, in dem die vorliegende
Erfindung verwirklicht ist. Der rechte halbe Abschnitt von
Fig. 7 stellt einen bürstenlosen Motor dar und eine
elektromagnetische Bremse gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der
linken Hälfte von Fig. 7 angeordnet. Ein Motor gemäß der
vorliegenden Erfindung ist nicht auf den hierin dargestellten Typ
beschränkt und kann von jedem herkömmlich gekannten Typ sein.
Die dargestellte Ausführungsform wird nunmehr kurz erläutert.
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Eine Welle 13 ist drehbar in einem Gehäuse 11 mittels eines
Paar Lagern 12 und 12 gelagert. Die Welle 13 hat ein
Abtriebselement z. B. ein Zahnrad 25 an ihrem rechten Ende, um die
Leistung des Motors durch das Zahnrad abzugeben. Die Welle 13
hat Dauermagneten 14, die an ihrer Mitte befestigt sind und
als Läufer dienen. Ein Elektromagnet 15, der mit einer Spule
versehen ist und als Stator dient, ist so angeordnet, dass er
unter Bildung eines kleinen Abstands zum Läufer 14 weist. Die
Welle 13 hat links einen kleinen Dauermagneten, der zur
Erkennung der Rotation der Welle 13 verwendet wird. Eine Loch-IC 17
ist so abgeordnet; dass sie zum Dauermagneten 16 weist. Die-
Phase der Magnetpole des Läufers 14 wird vom Dauermagneten 16
und der Loch-IC 17 erkannt, um die Stromversorgung zur Spule
des Läufers 14 zu steuern.
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Die Welle 13 hat einen kreisförmigen Scheibenbremsenläufer 19,
der an ihrem linken Ende mittels einer Feststellschraube 18
gesichert ist. Ein Bremsläufer 21, der ähnlich als
kreisförmige Scheibe ausgeformt ist, weist zum kreisförmigen
Bremsläufer 19 der Welle 13. Beide oder einer der Bremsläufer 19
und 21 haben bzw. hat daran befestigte Bremsbacken. Eine Welle
22, die aus dem Bremsläufer 21 herausragt, hat eine
kreisförmige Scheibe 1 mit einem kleinen Durchmesser, die mittels
einer Mutter 20 an dieser befestigt ist. Die kreisförmige
Scheibe 1 dient als Anker der vorliegenden Erfindung. Wie
später beschrieben wird, sind der Bremsläufer 21, die Welle 22
und der Anker 1 in der Lage, sich insgesamt in axialer
Richtung zu bewegen, können sich aber nicht um die Achse drehen.
Ein Dauermagnet 4 ist so angeordnet, dass er zum Anker 1
weist.
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Ein magnetische Pfadelement 2 mit einem C-förmigen Querschnitt
ist so angeordnet, dass seine Enden den kleinen kreisförmigen
Scheibenabschnitt des Ankers 1 umfassen. Am magnetischen
Pfadelement 2 ist ein Dauermagnet 4 befestigt, der so aufgebaut
ist, dass zwei vom Dauermagneten 4 erzeugte Zweige
magnetischer Fluss durch den Anker 1 fließen.
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Kleine Luftspalte 9a und 9b sind zwischen dem kleinen
kreisförmigen Scheibenabschnitt des Ankers 1 und den Ende des magnetischen
Pfadelements 2 ausgebildet. Der Anker 1 wird bei
dieser Ausführungsform axial entlang dem Dauermagneten 4
bewegt. Ist jedoch die radiale Dicke des Dauermagneten 4 groß,
ist eine Bearbeitung sehr schwierig. Ist außerdem die
Gleitfläche direkt am Dauermagneten 4 selbst ausgeformt, kann das
Problem der unzureichenden Festigkeit des Dauermagneten
auftreten. Deshalb ist bei dieser Ausführungsform ein
Metallelement 23 mit guten Bearbeitungseigenschaften und hervorragender
Festigkeit integral im inneren Abschnitt des Dauermagneten 4
angeordnet. Das Metallelement 23 hat drei Vertiefungen 23a zur
Aufnahme von Rollenführungen 24 an seinem Umfang wie in Fig. 8
dargestellt. Die Rollenführungen 24 führen die gegenseitige
Bewegung in axialer Richtung zwischen dem
Metallführungselement 23 und dem Anker 1.
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Bei dieser Ausführungsform sind Nasen und Vertiefungen, die
miteinander in Eingriff stehen, um ihre gegenseitige Drehung
zu unterbinden, am Umfang des Bremsläufers ausgeformt, der
einen großen Durchmesser des Ankers und der Innenfläche des
Gehäuses 11 hat, so dass sich der Anker 1 selbst in axialer
Richtung bewegen kann, um als elektromagnetische
Bremsvorrichtung zu dienen, die die Drehung des Motors bremst, so dass
er nicht um die Achse rotiert.
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Wird bei der elektromagnetischen Bremsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung mit dem oben beschriebenen Aufbau die
Rotation des Motors angehalten oder ausgeführt wie oben
beschrieben, wird der magnetische Fluss vom Dauermagneten und der
links am Dauermagneten angeordneten Spule gesteuert.
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Obwohl sich die obige Erläuterung auf einem mit einer
elektromagnetischen Bremse versehenen Motor bezieht, kann die
vorliegende Erfindung auch auf eine Kupplungsvorrichtung angewendet
werden, wenn der Anker in axialer Richtung beweglich und um
eine Achse drehbar ist. Ein Beispiel einer solchen Kupplung
ist in Fig. 9 dargestellt.
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Gemäß dem mit einer Kupplung versehenen Motor von Fig. 9 wird
die Motorleistung abgegeben und abgeschaltet. Dementsprechend
werden die Bremsläufer 19 und 21 und die Bremsbacken 6, die
unter Bezugnahme auf die vorige Ausführungsform beschrieben
wurden, bei dieser Ausführungsform durch Kupplungsläufer 19
und 21 und Kupplungsbeläge 6 ersetzt. Des Weiteren
unterscheidet sich diese Ausführungsform von der oben beschriebenen
dadurch, dass der Kupplungsläufer 21, die Welle 22 und der Anker
1 insgesamt nicht nur in axialer Richtung beweglich, sondern
dass sie auch um die Achse drehbar sind. Die Konstruktionen
der Bestandteile sind jedoch im Wesentlichen gleich. Außerdem
war in der oben beschriebenen Ausführungsform das
Abtriebselement z. B. das Zahnrad 25 angeordnet; ein Abtriebselement wie
ein Zahnrad 25 ist mit der Welle 22 der Kupplung mittels eines
Keils 24 gekoppelt, und der Kupplungsläufer 21, die Welle 22
und der Anker 1 sind unabhängig vom Zahnrad 25 in axialer
Richtung beweglich. Da die übrigen Konstruktionen ähnlich
denen der oben beschriebenen Ausführungsform sind, wird auf
eine weitere Erläuterung verzichtet.
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Die vorliegende Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
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(1) Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Zustände der
Bremse oder der Kupplung (aktivierter Zustand/deaktivierter
Zustand) nicht unbeabsichtigt bedingt durch Problemen mit den
Bestandteilen der Bremse geändert und folglich wird die
Sicherheit des Systems erhöht.
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(2) Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Zeit, in der
elektrischer Strom an die Spule des Magnetventils geliefert wird,
sehr kurz sein kann, kann die Leistungsaufnahme erheblich
verringert werden.
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(3) Tritt bei der vorliegenden Erfindung Abrieb der
Bremsbacken oder -klötze auf, besteht die Tendenz, dass sich der
Luftspalt verkürzt und als Ergebnis nehmen die
Anziehungskräfte und die Bremskraft zu. Die Leistung wird also selbst
bei Auftreten von Abrieb nicht nachteilig beeinflusst.
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(4) Wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Anschlag an
einer vorbestimmten Position innerhalb des Luftspalts
vorgesehen, können die Presskraft, d. h. die Bremskraft und die
Haltekraft während des Bremsvorgangs während des deaktivierten
Zustands beliebig eingestellt werden.
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(5) Obwohl die vorliegende Erfindung in dieser Beschreibung
anhand einer beispielhaften Anwendung auf eine
elektromagnetische Bremse oder Kupplung erläutert worden ist, ist sie auch
auf ein Produkt wie ein Magnetventil, das eine Magnetspule
verwendet, anwendbar und es können ähnliche Vorteile wie
hierin beschrieben erwartet werden.