DE102011115162A1

DE102011115162A1 - Wirbelstrombremse

Info

Publication number: DE102011115162A1
Application number: DE102011115162A
Authority: DE
Inventors: Peter Dillenberger; Rainer Kläring
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrombremse, umfassend die folgenden Bauteile: – einen Rotor, umfassend eine Bremstrommel; – einen zum Rotor koaxialen Stator, der von der Bremstrommel umschlossen ist; – wenigstens zwei auf dem Stator gelagerte, axial nebeneinander liegende Führungsrohre, deren jedes eine Vielzahl von Permanentmagneten sowie Flussleitstücken trägt, die – in einem achssenkrechten Schnitt gesehen – miteinander abwechseln; – ein erstes der Führungsrohre ist in Umfangsrichtung begrenzt verdrehbar, während das benachbarte Führungsrohr in Umfangsrichtung nicht verdrehbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrombremse zum Einsatz bei Fahrzeugen, aber auch für stationäre Anwendungsfälle. Solche Wirbelstrombremsen sind bekannt. Siehe DE 41 16 160 A1 , DE 600 30 049 T2 , EP 1 124 311 B1 .
Wesentliche Bestandteile solcher Wirbelstrombremsen sind eine Anzahl von Magneten sowie eine Anzahl von magnetischen Flussleitstücken. Die Magnete können Permanentmagnete sein. Ferner ist eine Bremstrommel vorgesehen, die koaxial zur Drehachse angeordnet ist und die die Magnete sowie die Flussleitstücke umschließt. Das aus den Magneten und den Flussleitstücken bestehende Magnetsystem lässt sich in Umfangsrichtung verdrehen. Hiermit lässt sich zusammen mit einer Bremstrommel ein Magnetfeld herstellen, das den Rotor gegenüber dem Stator abbremst.
Die bekannten Wirbeistrombremsen haben zahlreiche Nachteile. So ist die radiale Positionierung der Bremstrommel eine kritische Größe. Sie hängt von der Lagerung der Antriebswelle ab, und ist maßgeblich für den Luftspalt des Magnetkreises. Aus Sicherheitsgründen muss der Luftspalt relativ groß bemessen werden, was das Bremsmoment verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstrombremse zu schaffen, bei welcher der genannte sowie weitere Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird mittels einer Wirbelstrombremse gemäß Anspruch 1 gelöst, Der Kerngedanke der Erfindung besteht in Folgendem:

– Es werden wenigstens zwei auf dem Stator gelagerte, axial nebeneinander liegende Führungsrohre vorgesehen, deren jedes eine
– Vielzahl von Permanentmagneten sowie Flussleitstücken trägt, die – in einem achssenkrechten Schnitt gesehen – miteinander abwechseln;
– ein erstes der Führungsrohre ist in Umfangsrichtung begrenzt verdrehbar, während das benachbarte Führungsrohr in Umfangsrichtung nicht verdrehbar ist.

Das nicht verdrehbare Führungsrohr kann sich an der Karosserie oder dem Getriebegehäuse eines Fahrzeugs abstützen, während das benachbarte, verdrehbare Führungsrohr sich auf dem nicht verdrehbaren Führungsrohr abstützt. Beide Führungsrohre bestehen aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff. Die Bremstrommel kann aus einer Fe-Ni-Legierung bestehen.
Die Mantelflächen der beiden Führungsrohre tragen niedrig-energetische Ferrit-Magnete sowie Flussleitstücke aus Weicheisen. Diese beiden sind in radialer Richtung angeordnet. Die Polarisierung der Magnete verläuft in Umfangsrichtung. Die Flussleitstücke dienen dem Konzentrieren des magnetischen Flusses.
Die Flussleitstücke können einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, und die Magnete einen rechteckigen Querschnitt. Die beiden bilden einen Magnetkreis mit einer geschlossenen Kette von sich abwechselnden N-S-N-Polen.
Zum Verdrehen des verdrehbaren Führungsrohres dient ein pneumatischer Aktuator, umfassend einen Zylinder und einen darin laufenden Kolben. Durch eine entsprechende Verdrehung in Umfangsrichtung um eine Polteilung lassen sich zwei Magnetkreise mit gleichsinniger Polorientierung einander gegenüber positionieren. Der magnetische Fluss wird radial über die Bremstrommel geschlossen. Alternativ können beide Magnetkreise mit gegensinniger Polorientierung einander gegenüberliegend positioniert werden, sodass sich der magnetische Fluss axial über die Flussleitstücke schließt.
Im ersten Fade führt die Positionierung zu einem Bremsen, und im zweiten Falle zu einem Nicht-Bremsen.
Der Arbeitshub des genannten pneumatischen Zylinders entspricht einer ganzen Polteilung.
Um das wirksame Bremsmoment aus dem ausgeschalteten Zustand stufenweise zu erhöhen, kann ein mechanisches Schrittschaltwerk vorgesehen werden. Dieses entriegelt bei jedem Hub des Pneumatik-Zylinders den drehbeweglichen Magnetkreis um einen Bruchteil einer Polteilung. Nach Ausführung mehrerer Schritte des Gesperres erzeugt die Wirbelstrombremse das volle Bremsmoment.
Wird dann noch ein weiterer Schritt ausgeführt, so wird die nächste Aus-Position der Wirbelstrombremse erreicht. Hiernach kann der Vorgang von Neuem beginnen, da der drehbewegliche Magnetkreis aufgebaut ist.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt in einem Axialschnitt und schematisch eine Wirbelstrombremse.
2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Gegenstand von 1 in einem achssenkrechten Schnitt.
3 zeigt eine Draufsicht auf die in den 1 und 2 dargestellten Magnetsysteme des verdrehbaren sowie des nicht verdrehbaren Führungsrohres bei eingeschaltetem Bremskreis.
4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Gegenstand von 2 in einer Abwicklung, wiederum bei eingeschaltetem Bremskreis.
5 zeigt den Gegenstand von 3 bei ausgeschaltetem Bremskreis.
Die in 1 gezeigte Wirbelstrombremse weist eine Antriebswelle 1 mit einer Drehachse 1.1 auf. Ein Rotor 2 ist zur Welle 1 koaxial angeordnet und umschließt die Weile 1. Der Rotor 2 ist in der Schnittdarstellung gemäß 1 U-förmig. Er umfasst eine Innenhülse 2.1, eine ebenfalls hülsenförmige Bremstrommel 2.2 sowie diese beiden miteinander verbindende Speichen 2.3, die radial verlaufen.
Ein Stator 3 besteht im Wesentlichen aus einer Hülse. Diese ist mit einer Wand 4 des sonst nicht gezeigten Getriebegehäuses fest verbunden. Rotor 2 ist über ein Wälzlager 5 im Stator 3 gelagert.
Stator 3 trägt außerdem zwei Führungsrohre 6 und 7. Jedes der beiden Führungsrohre trägt ein Magnetsystem, umfassend Permanentmagnete 8 sowie Flussleitstücke 9. Wie diese Magnetsysteme aufgebaut sind, erkennt man aus den 2 bis 5. Dabei wechseln sich die Permanentmagnete 8 und die Flussleitstücke 9 ab.
Die Permanentmagnete sind am besten niedrig-energetische Ferrit-Magnete, die als solche kostengünstig sind. Die Flussleitstücke bestehen aus Weicheisen. Die Bremstrommel besteht aus einer Fe-Ni-Legierung.
Die Polarisierung der Magnete weist in Umfangsrichtung. Die Flussleitstücke dienen der Flusskonzentration.
Die Flussleitstücke sind trapezförmig, und die Magnete rechteckig. Hierdurch lassen sich die Magnete und die Flussleitstücke zu einem geschlossenen Kreis zusammenfügen – siehe 2. Es entsteht eine geschlossene Kette von sich abwechselnden N-S-N-Polen.
Die Magnete und Flussleitstücke des verdrehbaren Führungsrohrs 6 sowie die Magnete und Flussleitstücke des nicht-verdrehbaren Führungsrohres 7 bilden jeweils einen permanent erregten Magnetkreis. Der eine dieser Magnetkreise, der dem verdrehbaren Führungsrohr 6 zugeordnet ist, lässt sich somit verdrehen, während der andere feststeht. Durch das Verdrehen des einen Magnetkreises lässt sich die Durchflutung der Bremstrommel mit magnetischem Fluss verändern. Damit lassen sich Wirbelströme und somit ein Bremsmoment erzeugen. Stehen sich beide Magnetkreise mit gleichsinniger Polorientierung gegenüber, so wird der magnetische Fluss über die Flussleitstücke verstärkt und schließt sich radial über die Bremstrommel. Siehe den oberen Teil von 1, mit den Pfeilen, die den Magnetfluss veranschaulichen. Die Pfeile sind radial ausgerichtet.
Stehen sich beide Magnetkreise hingegen mit gegenseitiger Polorientierung gegenüber, so schließt sich der magnetische Fluss in axialer Richtung über die Flussleitstücke. Siehe den unteren Teil von 1. Die den Magnetfluss veranschaulichenden Pfeile verlaufen in axialer Richtung. Es wird somit kein Bremsmoment ausgeübt.
Die beiden Führungsrohre 6 und 7 sind auf der Mantelfläche des Stators gelagert. Die Mantelfläche dient für das verdrehbare Führungsrohr 6 als Gleitlager.
Das verdrehbare Führungsrohr 6 wird mittels eines pneumatischen Aktuators 10 in Umfangsrichtung verdreht. Der Aktuator 10 umfasst einen Pneumatikzylinder mit einem darin verstellbaren Kolben. Der Kolben greift an einem Flansch 6.1 des verdrehbaren Führungsrohrs 6 an, um eine Zug- beziehungsweise Schubkraft auf das verdrehbare Führungsrohr 6 aufzubringen. Der Arbeitshub des pneumatischen Aktuators 10 ist gleich der Polteilung T – siehe 2.
Am Flansch 6.1 des verdrehbaren Führungsrohrs 6 kann ein mechanisches Schrittschaltwerk (nicht dargestellt) vorgesehen werden. Dieses entriegelt bei jedem Hub des pneumatischen Aktuators 10 den Magnetkreis, der dem verdrehbaren Führungsrohr 6 zugeordnet ist. Es verdreht das Führungsrohr um einen definierten Bruchteil einer Polteilung. Nach Ausführung aller definierter Schritte hat die Verdrehung eine vollständige Polteilung erreicht, und die Wirbelstrom bremse erzeugt das volle Nenn-Bremsmoment.
Wird noch ein weiterer Schritt ausgeführt, so erfolgt ein voller Sprung des Schrittschaltwerkes um eine Polteilung in die nächste Aus-Position der Wirbelstrombremse. Sodann kann der Vorgang von Neuem beginnen, da der Magnetkreis des verdrehbaren Führungsrohres 6 aufgebaut ist.
Es ist zweckmäßig, die Bremstrommel 2.2 an die Antriebswelle 1 über elastische Koppelelemente anzuschließen.
Die Erfindung bringt erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik herbei:

– Die Erfindung erlaubt ein zuverlässiges Bemessen des Arbeitsluftspalts. Dieser bleibt konstant, weil er nicht von Fertigungstoleranzen abhängig ist. Er kann daher sehr eng bemessen werden, womit das erzielbare Bremsmoment erhöht wird.
– Die Verwendung von kostengünstigen Ferrit-Magneten erlaubt eine Senkung der Herstellungskosten.
– Aufgrund der Gestaltung der Wirbelstrombremse mit einem verdrehbaren und einem nicht-verdrehbaren Führungsrohr lässt sich das Schließen eines magnetischen Flusses unter Einbeziehung der Bremstrommel total ausschließen. Ist ein Bremsen nicht gewünscht, so findet ein solches auch nicht statt, weil kein „Verlustbremsen” stattfindet.
– Der pneumatische Aktuator 10 kann das verdrehbare Führungsrohr in die Bremsposition ziehen, somit nicht schieben. Dies ist ein günstigerer Belastungsfall.
– Durch Verdoppeln oder Vervielfachen der drehbeweglichen Elemente wird das Bremsmoment der Wirbelstrombremse vergrößert. Gleichzeitig bleiben die Magnetkreise streufeld-optimiert.
– Die drehbeweglichen Elemente werden durch Ausnehmungen an den innen liegenden Abschnitten der Flussleitstücke in axialer Richtung mitgenommen.

Die Bremstrommel 2.2 ist an ihrem Außenumfang mit Kühlrippen versehen – hier nicht dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Antriebswelle
1.1: Drehachse
2: Rotor
2.1: Innenhülse
2.2: Bremstrommel
2.3: Speicher
3: Stator
4: Wand des Getriebegehäuses
5: Wälzkörper
6: verdrehbares Führungsrohr
6.1: Flansch
7: nicht verdrehbares Führungsrohr
8: Permanentmagnet
9: Flussleitstück
10: pneumatischer Aktuator
T: Polteilung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4116160 A1 [0001]
DE 60030049 T2 [0001]
EP 1124311 B1 [0001]

Claims

Wirbelstrombremse, umfassend die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale: 1.1 einen Rotor (2), umfassend eine Bremstrommel (2.2); 1.2 einen zum Rotor (2) koaxialen Stator (3), der von der Bremstrommel (2.2) umschlossen ist; 1.3 wenigstens zwei auf dem Stator (3) gelagerte, axial nebeneinander liegende Führungsrohre (6, 7), deren jedes eine Vielzahl von Permanentmagneten (8) sowie Flussleitstücken (9) trägt, die – in einem achssenkrechten Schnitt gesehen – miteinander abwechseln; 1.4 ein erstes der Führungsrohre (6) ist in Umfangsrichtung begrenzt verdrehbar, während das benachbarte Führungsrohr (7) in Umfangsrichtung nicht verdrehbar ist.
Wirbelstrombremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei oder mehrere Führungsrohre axial nebeneinander angeordnet sind.
Wirbelstrombremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrohre (6, 7) auf einer Innenhülse (2.1) des Stators gelagert sind.
Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitstücke (9) – in einem achssenkrechten Schnitt gesehen – über die Permanentmagnete in radialer Richtung an deren Außenumfängen hinausragen.
Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremstrommel (2.2) an die zu bremsende Antriebswelle (1) über elastische Koppelelemente angeschlossen ist.
Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem pneumatischen Aktuator (10) ein Schrittschaltwerk zugeordnet ist, das den Magnetkreis des verdrehbaren Führungsrohres um einen definierten Bruchteil einer Polteilung (T) verdreht.