Dauermagnetische WirbelstromS und Hysteresebremse, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf eine dauermagnetische Wirbelstrom- und Hysteresebremse, bei welcher die Aus- und Einschaltung und die Regelung des Bremsmomentes durch relative Verschiebung eines Dauermagnete tragenden Teiles gegenüber einem Polschuhe tragenden Teil erfolgt. Diese Bremsen sind besonders für Kraftfahrzeuge geeignet und werden z. B. zwischen dem antreibenden und getriebenen Teil eingebaut, so dass sie im gewünschten Augenblick ein Bremsmoment auf den zwischen dem Getriebekasten und der Achsbrücke liegenden Teil der Übertragungswelle des Fahrzeuges aus üben.
Selbstverständlich können derartige Bremsen nicht nur für Kraftfahrzeuge verwendet werden, sondern auch für andere Fahrzeuge, z. B. Luft- oder Schienenfahrzeuge und für Hebezeuge, z. B. Aufzüge, Krane und dergleichen.
Es sind bereits verschiedene dauermagnetische Wirbelstrom- und Hysteresebremsen bekannt geworden, bei welchen die Dauermagnete mit wechselnder Polfolge ringförmig auf einem scheibenförmigen Trägerkörper angeordnet sind, welcher zum Zwecke des Ein- und Ausschaltens gegenüber Polschuhen verschiebbar ist, derart, dass im eingeschalteten Zustand die Dauermagnete mit ihren Polen an den Polschuhen anliegen, während im ausgeschalteten Zustand die Dauermagnete durch die Polschuhe kurzgeschlossen werden. Die Polschuhe stehen in an sich bekannter Weise einer Bremsscheibe, die in den meisten Fällen drehbar angeordnet ist, gegenüber.
Bei diesen Ausführungen bereitet es Schwierigkeiten, für die Erzeugung eines hohen Bremsmomentes die erforderliche Menge an Dauermagnetmaterial bei möglichst geringer Streuung auf kleinstem Raum unterzubringen. Diese bekannten Bremsen weisen deshalb verhältnismässig grosse Abmessungen auf und haben ein grosses Bau- bzw. Leistungsgewicht. Das Magnetmaterial wird wegen der grossen Streuung schlecht ausgenutzt. Darüber hinaus lassen sich die Bremsen nur mit verhältnismässig grossen Kräften aus- und einschalten, da die Anderung oder Umleitung des magnetischen Kraftflusses plötzlich erfolgt.
Abgesehen von der Voreingenommenheit, die in Fachkreisen gegen die Anwendung von Dauermagneten bei Wirbelstrom- und Flysteresebremsen bestand, waren die vorstehend erwähnten Gründe im wesentlichen entscheidend, dass sich die bisher bekannt gewordenen dauermagnetischen Bremsen nicht in die Praxis einführen konnten. Man griff deshalb auf die elektromagnetischen Wirbelstrom- und Hysterebremsen zurück, obschon diese den Nachteil aufwiesen, dass sie von der Stromversorgung abhängig sind. Die benötigte Energie für eine Bremsung bei einem Lastkraftwagen liegt in der Grössenordnung von 1 bis 4 kW, insbesondere dann, wenn auch noch Anhänger mit abgebremst werden sollen.
Ein weiterer Nachteil der elektromagnetischen Bremsen besteht darin, dass sie von einer Stromquelle abhängig sind und bei Ausfall der Stromversorgung vollkommen versagen. Abgesehen von diesem Gefahrenmoment ist zu beachten, dass die gesamte elektrische Energie zur Erzeugung des Magnetfeldes restlos in Wärme umgewandelt wird, so dass die Magnetspulen im Dauerbetrieb eine hohe Temperatur annehmen. Hinzu kommt, dass die Spulen durch die Abstrahlung der Wärme, die während des Bremsvorganges in der Bremsscheibe erzeugt wird, noch weiter aufgeheizt werden, zumal diese Bremsscheiben bei den heute bekannten luftgekühlten Wirbelstrombremsen Temperaturen annehmen, die im Dauerbetrieb bei Rotglut liegen. Die Abführung der entstandenen Wärme bereitete bisher erhebliche Schwierigkeiten. Daher können diese Bremsen nur ganz kurzzeitig ihre volle Bremsleistung abgeben.
Durch die vorliegende Erfindung werden die Nachteile bei den bisher bekannten Wirbelstrom- und Hysteresebremsen vermieden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Bremsscheibe gegenüberliegend eine als Baueinheit ausgebildete Magnetanordnung vorgesehen ist, die ringförmig angeordnete Polschuhe aufweist, zwischen denen feststehende Dauermagnete angeordnet sind, die mit ihren aufmagnetisierten Polflächen an den SeitenEäcllen benachbarter Polschuhe anliegen und dass relativ zur Grundfläche der Polschuhe verschiebbare Dauermagnete angeordnet sind, die mit ihrer Polfläche auf der der Bremsscheibe abgekehrten Seite der Polschuhe liegen, das Ganze derart, dass zum Einschalten der Bremse die verschiebbaren Dauermagnete in eine Lage gebracht werden können,
in der sie den Polschuhen gegenüberliegen und an ihrem entsprechenden Ende eine Polarität haben, die derjenigen der jeweils gegenüberliegenden, feststehenden Polschuhe gleich ist, jedoch zum Regeln oder Abschalten der Bremse aus dieser Lage verschoben werden können.
Durch die Erfindung gelingt es, das erforderliche Magnetmaterial auf kleinstem Raum unterzubringen. Sowohl die fest angeordneten Dauermagnete zwischen den Polschuhen als auch die verschiebbar angeordneten Dauermagnete unterhalb der Polschuhe dienen zur Erregung des Magnetfeldes zwischen den Polschuhen und der Bremsscheibe und sind gleichzeitig Bestandteile des magnetischen Regelkreises. Durch diese Anordnung wird das eingebrachte Dauermagnetmaterial auch besonders gut ausgenutzt, weil dadurch die Streuung so gering wie möglich gehalten wird. Durch die erfindungsgemässe Lösung ist es möglich, von den teueren, krisenanfälligen, nickel- und kobalthaltigen Dauermagnetstahllegierungen abzugehen und ein preiswürdigeres Magnetmaterial hoher Koerzitivkraft und kleiner Permeabilität zu verwenden.
Durch die erfindungsgemässe Lösung kann eine leichte Regelung des Bremsmomentes und eine Ein- und Ausschaltung mit relativ geringen Kräften erreicht werden, indem der dauermagnetische Werkstoff gegenüber den Polschuhen verschoben wird, wobei eine allmähliche Flussänderung in Relation zum Verstellweg auftritt.
Nachfolgend sind zwei Ausführungsb ei spiele der Erfindung, die weitere vorteilhafte Einzelheiten aufweisen, anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Wirbelstromund Hysteresebremse nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die feststehende Magnetanordnung mit Polschuhen (Bremsscheibe entfernt);
Fig. 3 einen Teilschnitt in abgewickelter Darstellung der Bremse in eingeschaltetem Zustand;
Fig. 4 die gleiche Darstellung wie vor, jedoch in ausgeschaltetem Zustand;
Fig. 5 eine andere vorteilhafte Ausführung der Bremse in abgewickelter Darstellung in Einschaltstellung;
Fig. 6 die gleiche Ausführung wie vor, in Ausschaltstellung;
und
Fig. 7 eine ausschnittsweise Darstellung der Ausführung gemäss den Fig. 5 und 6 mit geteilten Polschuhen in Draufsicht (Bremsscheibe entfernt).
Die abzubremsende Welle 1, die beispielsweise mit der Kardanwelle des Fahrzeuges verbunden ist, ist bei der Ausführungsform nach Fig. 14 in dem Gehäuse 2 der Wirbelstrom- und Hysteresebremse, welches z. B.
am Fahrzeuggestell befestigt ist, mittels Kugellagerung 5 gelagert. In dem Gehäuse 2 wirken die feststehende Dauermagnetanordnung 3 und die verschiebbare Dauermagnetanordnung 4 mit der Bremsscheibe 20, die auf der a'ozubremsenden Welle 1 befestigt ist, und mit dieser rotiert, zusammen. An der der Magnet anordnung abgewandten Seite der Bremsscheibe 20 ist die Lüfteranordnung 6 befestigt.
Aus Fig. 2 ist der Aufbau der feststehenden Magnetanordnung 3 ersichtlich, die aus den Polschuhen 7 besteht, die ringförmig auf einer aus nicht magnetischem Werkstoff bestehenden Scheibe 8, welche mit Ausnehmungen 9 versehen ist, durch die die Polschuhe hindurchragen, angeordnet sind. Zwischen den Polschuhen sind feststehende Dauermagnete 10 angeordnet, die mit ihren aufmagnetisierten Polflächen 11 an den Seitenflächen benachbarter Polschuhe anliegen. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, liegen an den Seitenflächen der Polschuhe jeweils gleichnamige Pole der Dauermagnete an, so dass in den Polschuhen Pole wechselnder Polarität entstehen. In der Zeichnung ist die Polarität der Polschuhe mit grossen Buchstaben N und S gekennzeichnet, während die Pole der Dauermagnete mit kleineren Buchstaben gekennzeichnet sind.
Unterhalb der Polschuhe ist die verschiebbare Magnetanordnung 4 angeordnet. Der Aufbau und das Zusammenwirken der feststehenden und verschiebbaren Dauermagnetano rdnung sind in den Fig. 3 und 4 in abgewickelter Form dargestellt.
Gemäss Fig. 3 sind die Polschuhe 7 in die Scheibe 8 aus nichtmagnetischem Werkstoff eingesetzt und vorzugsweise durch Verschraubung befestigt. Zwischen den Polschuhen sind die feststehenden Dauermagnete 10 angeordnet und vorzugsweise durch Einkleben befestigt.
Da jeweils gleichnamige Pole der Dauermagnete an jedem Polschuh anliegen, ergibt sich die in Fig. 3 einge zeichnet Polarität der Polschuhe. Unterhalb der Polschuhe ist die verschiebbare Dauermagnetanordnung 4 angeordnet, die aus einer Scheibe 12 aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht, die mit Aussparungen 13 versehen ist, in denen Dauermagnete 14 befestigt sind, die init ihrer einen Polfläche 15 der vergrösserten Grundfläche 16 der Polschuhe 7 gegenüberliegen. Die rückseitigen Polflächen 17 der Dauermagnete 14 sind mit einer Eisenrückschlussplatte 18 verbunden. Das Gehäuse 2 kann auch selbst aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehen und anstelle einer Eisenrücksclllussplatte zur Rückleitung der Kraftlinien dienen.
Der EisenrücL- schluss ist jedoch nur an der aussen liegenden Magnetanordnung der Wirbelstrombremse gemäss Fig. 1 erforderlich. Den Polflächen der Polschuhe steht die rotierende Bremsscheibe 20 gegenüber, die auf der den Polen der Polschuhe abgewandten Seite mit rechtwinklig abgebogenen Lüfterflügeln 21 versehen ist. Die Lüfterflügel bestehen aus ferromagnetischem Werkstoff, so dass sie an der Rückleitung der Kraftlinien teilhaben können. Es ist dadurch möglich, den Querschnitt der Bremsscheibe noch dünner zu halten, um den Wärmewiderstand zu verkleinern. Die Lüfterflügel bestehen vorzugsweise aus dünnem Eisenblech und können mit einem Rupferüber- zug versehen werden, der gegen Korrosion, z. B. durch einen Nickelüberzug, geschützt wird.
Der Kupferüberzug weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,05 bis 0,2 mm auf. Es kann selbstverständlich auch kupferplattiertes Eisenblech verwendet werden. Die Kupferschicht verbessert die Wärmeabführung der Lüfterflügel in hervorragender Weise, während sie auf der Bremsscheibe die Wirbelstrombildung begünstigt. Da die Bremsscheibe aus ferromagnetischem Material besteht, tritt neben der Wirbelstrombildung gleichzeitig ein Hystereseeffekt auf, welcher auf der zyklischen Ummagnetisierung des ferro rrìagnetischen Materials unter der Einwirkung des wechselnden Magnetfeldes beruht.
In Fig. 3 ist die Bremse in eingeschaltetem Zustand dargestellt. lie gezeigt, liegen sowohl bei den Dauermagneten der feststehenden Magnetanordnung als auch bei den Dauermagneten der verschiebbaren Magnetanordnung die gleichen Polaritäten an den Seiten bzw. an der Grundfläche des jeweiligen Polschuhes an, d. h. an einem Polschuh liegen die Nordpole der Dauermagnete und an dem benachbarten Polschuh die Südpole der Dauermagnete an, wie aus der Fig. 3 durch die eingezeichneten Buchstaben ersichtlich ist. Die feststehenden und die verschiebbaren Dauermagnete liegen selbstver ständlch nicht fest, sondern nur so aneinander an, dass zwischen diesen noch ein Gleiten unter geringer Reibung möglich ist. Zur Verkleinerung dieser Reibung kann, wie später noch erwähnt wird, eine Kugellagerung vorgesehen werden.
Ein Luftspalt soll der schlechten ma genetischen Leitfähigkeit der Luft wegen indessen vermieden werden.
Es entstehen zwei magnetische Kreise, die beide zur Erregung der Polschuhe und Regelung des Bremsmomentes beitragen und durch die eingezeichneten Linien symbolisch den Kraftlinienverlauf kennzeichnen sollen.
Der eine magnetische Kreis der feststehenden Dauermagnete 10 verläuft vom Nordpol der Dauermagnete 10 in den Polschuh 7, über den Arbeitsluftspalt 19 zur Bremsscheibe 20 und von dort zurück über den Polschuh entgegengesetzter Polarität zum Südpol des feststehenden Dauermagneten 10. Der zweite magnetische Kreis verläuft vom Nordpol des verschiebbaren Dauermagneten 14 über den Polschuh 7 und den Arbeitsluftspalt 19 zur Bremsscheibe 20 und zurück über den benachbarten Polschuh entgegengesetzter Polarität zum Südpol des verschiebbaren benachbarten Dauermagneten 14, durch den Magneten hindurch über den Eisenrückschluss 18 zum verschiebbaren Dauermagneten 14.
Zur Ein- und Ausschaltung der Bremse und zur Regelung des Bremsmomentes wird die Magnetanordnung 4 in Pfeilrichtung gegenüber der Magnetanordnung 3 verschoben. Zwischen dem feststehenden und verschiebbaren Teil kann zur Verminderung der Reibung bei der Verstellung eine Kugellagerung vorgesehen werden. Dies kann in einfacher Weise dadurch geschehen, dass in die Scheibe 8 und 12 eine ringförmige Nut 22 eingefräst wird, in welche die Kugeln 23 eingesetzt sind.
Die ausgeschaltete Stellung der Bremse ist in Fig. 4 dargestellt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, hat sich die Polarität der verschiebbaren Dauermagnete gegenüber den feststehenden Dauermagneten am jeweiligen Polschuh geändert. Der Kraftlinienverlauf, der durch die eingezeichneten Linien symbolisch dargestellt ist, verläuft nun nicht mehr über den Arbeitsluftspalt zur Bremsscheibe 20, sondern innerhalb der feststehenden und verschiebbaren Magnetanordnung. Durch mehr oder weniger grosse Verschiebung kann man das Bremsmoment entsprechend der gewünschten Grösse stufenlos regeln.
Der Aufbau der feststehenden und verschiebbaren Magnetanordnung setzt voraus, dass die einzelnen Dauermagnete untereinander einen gleich grossen magnetischen Fluss aufweisen. Die Abstimmung der Magnete kann vorzugsweise in einfacher Weise nach dem Aufmagnetisieren durch entsprechende mehr oder weniger starke Entmagnetisierung der Dauermagnete erfolgen.
Die Gesamtheit der am jeweiligen Polschuh anliegenden Polflächen der feststehenden Dauermagnete muss bei Verwendung von gleichem Dauermagnetwerkstoff gleich oder kleiner sein als die an der Grundfläche der Polschuhe anliegende Polfläche der verschiebbaren Magnete, damit eine vollständige Ausschaltung der Bremse sichergestellt ist.
Fig. 5 zeigt eine andere bevorzugte Ausführung der Erfindung, bei der die Polschuhe 24 derart unterteilt sind, dass jeweils zwei Pole 25, 26; 27, 28; 29, 30 gleichnamiger Polarität entstehen, z. B. zwei Nordpole 25, 26, während der benachbarte Polschuh zwei Südpole 27, 28 besitzt. Die Pole gleichnamiger Polarität der Polschuhe sind durch ferromagnetische Brücken 31 verbunden, an denen die Polflächen 32 der verschiebbar angeordneten Dauermagnete 33 anliegen. Zwischen den benachbarten Polen 26, 27 bzw. 28, 29 ungleichnamiger Polarität sind die feststehenden Dauermagnete 34 eingesetzt.
Durch diese vorteilhafte Ausführung wird die Streuung noch mehr verringert, weil die Zwischenräume zwischen benachbarten, geteilten Polschuhen vollkommen mit Magnetmaterial ausgefüllt werden können. Zwischen den unterteilten Polschuhen besteht auf Grund der gleichnamigen Polarität keine Streuung.
Der Aufbau der feststehenden Dauermagnetanordnung mit unterteilten Polschuhen ist aus Fig. 7 gut ersichtlich. Die ringförmige Scheibe 35 aus nichtmagnetischem Werkstoff ist mit Aussparungen 36 derart versehen, dass zwischen den Aussparungen Stege 37 stehen bleiben. Die beiden Pole 25, 26 bzw. 27, 28 eines jeden unterteilten Polschuhes ragen durch die Aussparungen 36 der Scheibe 35 hindurch und liegen an den Seitenflächen der Stege 37 an und sind durch ferromagnetische Brücken 31, die unterhalb der Stege 37 verlaufen, verbunden. Die ferromagnetischen Brücken jedes geteilten Polschuhes sind durch Schrauben 38 an den Stegen 37 befestigt. Zwischen benachbarten Polen 26, 27 ungleichnamiger Polarität sind die feststehenden Dauermagnete 34 eingesetzt und entsprechend den eingezeichneten Polen magnetisiert.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, stehen die Pole der Polschuhe gegenüber der Scheibe 35 hervor, so dass Luftkanäle 39 entstehen, durch die die von der Lüfteranordnung erzeugte Kühlluft durch Injekterwirkung geführt wird, so dass die Bremsscheibe von beiden Seiten gekühlt wird und zusätzlich eine Kühlung der Polschuhe und der Magnetgehäuse erfolgt. Durch diese besonders gute Beherrschung der Kühlung ist es auch möglich, Dauermagnetmaterial mit einem verhältnismässig niedrigen Curie-Punkt einzusetzen.
Die Luftzirkulation zwischen den Polschuhen kann begünstigt werden, wenn man das Lüfterrad oder den Umfang der feststehenden Scheibe, die die Polschuhe trägt, so ausbildet, dass die Injektorwirkung noch begünstigt wird. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass man am Umfang der feststehenden Scheibe Leit- bzw.
Luftumleitbleche anbringt, die die durch die zusätzlich geschaffenen Luftkanäle strömende Kühlluft in den Bereich des Lüfterrades lenken oder die Lüfterflügel des Lüfterrades am Umfang seitlich hervorstehen lassen.
An jedem geteilten Polschuh liegen, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, die feststehenden Dauermagnete 34 und die verschiebbaren Dauermagnete 33 mit gleicher Polarität an, so dass im Arbeitsluftspalt 18 die grösstmögliche Kraftliniendichte vorherrscht. Die Bremse befindet sich somit im eingeschalteten Zustand.
Durch Verschiebung der verschiebbaren Magnetanordnung in Pfeilrichtung entsteht die in Fig. 6 dargestellte Ausschaltstellung der Bremse. In dieser Stellung verlaufen die Kraftlinien nicht mehr über den Arbeitsluftspalt zur Bremsscheibe, sondern innerhalb der Magnetanordnung vom Nordpol des verschiebbaren Ma gneten über die Polschuhe zum Südpol des feststehenden Magneten, durch diesen hindurch zum Nordpol und über den benachbarten Polschuh zum Südpol des verschiebbaren Dauermagneten zurück und durch diesen hindurch und über den Eisenrückschluss 40 zum benachbarten verschiebbaren Dauermagneten. Damit schliesst sich der magnetische Kreis wieder.
Auch bei dieser Ausführung kann neben der Einund Ausschaltstellung jedes gewünschte Bremsmoment durch eine mehr oder weniger grosse Verschiebung der verschiebbaren Dauermagnetanordnung eingestellt werden.
Die feststehende und die verschiebbare Dauermagnetanordnung dienen nicht nur zur Erzeugung eines starken magnetischen Flusses im Arbeitsluftspalt, sondern auch zur stufenlosen Regelung des Bremsmomentes und zur Ein- und Ausschaltung der Bremse.
Die feststehende Magnetanordnung mit den verschiebbaren Magneten und die die Lüfterflügel tragende Bremsscheibe bilden eine Baueinheit, die zur Erzeugung des jeweils geforderten Bremsmomentes zweck mässigerweise in beliebiger Anzahl in axialer Richtung aneinanderreihbar ist.