DE10008052A1

DE10008052A1 - Permanentmagnetisch erregte Wirbelstrombremse

Info

Publication number: DE10008052A1
Application number: DE2000108052
Authority: DE
Inventors: Hilmar Konrad; Hans Hermann Heidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-09-06

Abstract

Sowohl das Magnetsystem als auch der Drehmechanismus bekannter permanentmagnetischer Wirbelstrombremsen haben einen noch zu komplizierten Aufbau. Bei der vorliegenden Wirbelstrombremse sind mehrere gleichartige, jeweils um eine horizontale, quer zur Fahrtrichtung verlaufende Achse (6) drehbare, quader- oder zylinderförmige, in durch die Achse (6) gehender Richtung magnetisierte, mit einer Stelleinrichtung gemeinsam um mindestens 90 DEG verdrehbare Magneten (3) in Fahrtrichtung hintereinander in einer Aufhängung (1) unmittelbar über der Schiene (2) angeordnet. Die Lösung eignet sich für alle schienengebundenen Fahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanentmagnetisch erregte Wir belstrombremse für ein schienengebundenes Fahrzeug.

Der Vorteil von Wirbelstrombremsen im schienengebundenen Ver kehr gegenüber verschleißbehafteten Bremssystemen mit Wellen- oder Radbremsscheiben oder Magnetschienenbremsen ist die ver schleißfreie Einsatzmöglichkeit beim Bremsvorgang. Inzwischen serienreife lineare elektrische Wirbelstrombremsen zeichnen sich dadurch aus, daß vor allem im hohen Geschwindigkeitsbe reich durch die konstante und weitgehend vom Haftwert zwi schen Rad und Schiene unabhängige Bremskraftentwicklung der Wirbelstrombremse der Großteil der kinetischen Energie des Fahrzeugs als Wärme in die Schiene umgesetzt werden kann. Die Bremsscheiben des Fahrzeugs werden dadurch bei einer nur be darfsweisen zusätzlichen mechanischen Bremsung thermisch nicht allzu sehr belastet und der Verschleiß des mechanischen Bremssystems wird erheblich reduziert.

Der Nachteil bisher bekannter Wirbelstrombremsen ist, daß zu ihrer Erregung elektrische Energie im Fahrzeug bereitgestellt und ggf. gepuffert werden muß, die im Mittel einschließlich der Umwandlungsverluste ca. 10% der kinetischen Energie des zu bremsenden Fahrzeugs beträgt. Aufwendige schaltungstechni sche Maßnahmen sowie sichere Signalwege für Diagnose und Steuerung der Wirbelstrombremse im Fahrzeug sind zudem not wendig, um dieses Bremssystem im technischen Sinn als "siche res System", d. h. bremstechnisch als "anrechenbares Bremssys tem" zu betreiben und bei den zulassenden Behörden die Zulas sung zu erreichen. Ein solches System muß zur temporären Puf ferung der notwendigen Erregerleistung Batterien bzw. Akkumu latoren besitzen, um bei Ausfall des Netzes, z. B. bei Aus fall der Stromabnahme von der Oberleitung verfügbar zu sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine erregte Wir belstrombremse anzugeben, die anstelle von elektrischen Spu len zur Erzeugung des Magnetfeldes Permanentmagnete verwen det. Ein einfacher mechanischer Aufbau soll dabei eine hohe technische Sicherheit bei einem Minimum an einzusetzender e lektrischer Leistung gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung verwendet um horizontale, quer zur Fahrtrichtung verlaufende Achsen drehbare, quader- oder zylinderförmige Magneten. Die Magneten sind zweckmäßig je weils aus einem quaderförmigen Permanentmagnet und einem aus amagnetischem Werkstoff, z. B. V2A-Stahl, bestehenden Träger zusammengesetzt. Weitere Permanentmagneten existieren nicht.

Nach einer ersten Variante sind die magnetischen Zylinder di rekt über Zahnräder untereinander verbunden und über ein Stellglied synchron verdrehbar. Je nach Drehung der magneti schen Zylinder wird der magnetische Fluß innerhalb der Wir belstrombremse kurzgeschlossen (keine Bremswirkung) oder über die Schiene geschlossen (Bremswirkung).

In der Stellung "AUS" (Permanentmagneten sind in Reihe ange ordnet) sind die Magneten derart angeordnet, daß sich der re sultierende Fluß über den weichmagnetischen Teil der Aufhän gung schließt. Der der Schiene zugewandte, aus amagnetischem Werkstoff, z. B. V2A-Stahl, bestehende Teil der Aufhängung im Bereich zwischen den magnetischen Zylindern stellt dabei für den magnetischen Fluß einen zu großen magnetischen Widerstand dar.

In der Stellung "Ein" sind die Permanentmagneten parallel zu einander angeordnet. Der magnetische Fluß schließt sich jetzt über die weichmagnetischen Teile der Aufhängung, die unterhalb der Magnetpole in Richtung der Schiene als Stege in den sonst amagnetischen unteren Teil der Aufhängung eingelassen sind, über den Luftspalt und über die Schiene.

Der magnetische Fluß wird somit aufgrund des hohen magneti schen Widerstandes des amagnetischen Werkstoffes zwischen den Magnetpolen aus der Wirbelstrombremse über die feldführenden Stege unterhalb der Magnetole in Richtung Schiene verdrängt.

Zum geeigneten Einstellen der Magnetfeldorientierung sind die Einzelmagneten miteinander mechanisch gekoppelt, so daß ein Stellglied diese synchron in ihrer Lage verstellen kann. Positionen des Stellgliedes zwischen 0° und 90° erlauben eine Einstellung der Bremskraft zwischen 0% und 100%.

Das Stellglied kann auf pneumatischer, hydraulischer oder e lektrischer Basis realisiert werden. Im energielosen bzw. drucklosen Zustand des Stellgliedes drehen sich die Perma nentmagneten sicher in die energetisch niedrigere Position "AUS" zurück, so daß keine oberbauschädigenden hohen magneti schen Anzugskräfte bei kleinen Geschwindigkeiten, insbesonde re bei Stillstand entstehen können (z. B. erreichbar durch Entlüften der Stellglieder bei pneumatischen Systemen für kleinere Geschwindigkeiten).

Nach weiteren Varianten können die magnetischen Zylinder durch eine Kette, Seil, oder ein Gestänge verdreht werden.

Die Anrechenbarkeit eines solchen Bremssystems kann durch die hohe Verfügbarkeit paralleler unabhängiger Systeme gewähr leistet werden. Z. B. kann der Ausfall vereinzelter Wirbel strombremsen im Zugverband toleriert werden.

Die Erfindung zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:

- einfacher mechanischer Aufbau
- es können verschiedene Arten von gemeinsamen Stelleinrich tungen (Zahnrad, Kette, Schiene, Stahlseil, Gestänge . . .) genutzt werden
- hohe Verfügbarkeit der Wirbelstrombremse durch die Anord nung paralleler Systeme verstellbarer Permanentmagneten
- hohe technische Sicherheit

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Wirbelstrombremse in ei ner ersten Variante in "AUS"-Stellung,

Fig. 2 die Wirbelstrombremse nach Fig. 1 in "EIN"-Stellung,

Fig. 3a einen Schnitt durch eine Wirbelstrombremse gemäß Fig. 1 in der Ebende AA',

Fig. 3b einen Schnitt durch eine Wirbelstrombremse gemäß Fig. 1 in der Ebende BB',

Fig. 4 eine zweite Variante einer Wirbelstrombremse in "EIN"- Stellung,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Wirbelstrombremse gemäß Fig. 4 und

Fig. 6 eine dritte Variante der Wirbelstrombremse in "EIN"- Stellung.

Wie Fig. 1 zeigt, sind in einem mit einem Schienenfahrzeug verbunden Träger 1, der sich unmittelbar über einer Schiene 2 bewegt, sechs Magnetzylinder 3 angeordnet. Die Magnetzylinder 3 bestehen aus quaderförmigen Permanentmagneten 4 aus mecha nisch hochrobustem (z. B. NdFeB) Magnetwerkstoff mit abgerundeten Stirnseiten, die mit amagnetischen Segmenten 5 jeweils zu einem Zylinder ergänzt sind. Die Magnetzylinder 3 sind an quer zur Fahrtrichtung verlaufenden Achsen 6 verdrehbar. Die Permanentmagneten 4 sind in Längsrichtung quer zu Achse 6 magnetisiert. Der Träger 1 besteht aus weichmagnetischem Ei sen. Schienenseitig sind zwischen den Magnetzylindern 3 und außerhalb der beiden äußeren Magnetzylinder 3 Trennstege 7 aus amagnetischem Werkstoff eingelegt. Zwischen den Trennste gen 7 verbleiben Stege aus weichmagnetischen Material zur magnetischen Feldführung in die Schienenoberfläche. Die Mag netzylinder 3 sind mit Zahnrädern 8 verbunden, die miteinan der im Eingriff stehen und die durch ein Stellrad 9 verdreht werden können. Zwischen dem Träger 1 und der Schiene 2 ver bleibt ein Luftspalt 16.

In der gezeigten Stellung schließt sich das magnetische Feld 10 im Träger 1, so daß keine Feldwirkung nach außen und somit keine Bremswirkung auftritt.

Fig. 2 zeigt dagegen die "EIN"-Stellung. Durch das Stellrad 9 wurden die Magnetzylinder 3 um 90° so verdreht - abwechselnd im mathematischen Drehsinn und umgekehrt, daß sich deren Feld 10 über den weichmagnetischen Teil des Trägers 1, den Luft spalt 16 und die Schiene 2 schließt. Wird nun die Wirbel strombremse über die Schiene mit einer Geschwindigkeit |v| < 0 bewegt, so werden Wirbelströme in der Schiene 2 induziert, die eine Kraftkomponente entgegengesetzt zur Fahrtrichtung entstehen lassen.

Durch eine Verdrehung der Magnetzylinder 3 von weniger als 90° wird eine Einstellung der Bremskraft zwischen 0% und 100% erzielt.

Der Träger 1 muß zur Verringerung der auf die Schienenober seite wirkenden Normalkraft nicht durch Entfernen des Trägers 1 von der Schienenoberkante vergrößert werden. Die Reduzie rung der Normalkraft tritt einzig durch Drehen der Magnetzylinder 3 in Richtung der Neutralstellung ein. Auf eine Hebe- und Senkvorrichtung kann deshalb verzichtet werden.

Im energielosen Zustand des Stellantriebes für das Stellrad 9 nehmen die Magnetzylinder 3 von sich aus wieder den energie ärmsten "AUS"-Zustand ein, was z. B. durch eine Federvorspan nung des Stellrades 9 noch unterstützt werden kann, so daß keine hohen Anzugskräfte zur Schiene 2 entstehen, die bei kleinen Geschwindigkeiten störend oder schädigend wirken könnten.

Fig. 3a zeigt einen Schnitt in der Ebene AA'. Das Zahnrad 8 und eine Scheibe auf der gegenüberliegenden Seite des Magnet zylinders 3 sind jeweils mit einem Lagerzapfen 12 versehen, auf denen die Magnetzylinder 3 gelagert sind und die die be sagten Achsen 6 bilden. Ein weichmagnetisches Gehäuse 11 um schließt den Magnetzylinder vollständig.

Fig. 3b zeigt einen Schnitt in der Ebene BB'. Das weichmagne tische Gehäuse 11 ist unten (schienenseitig) durch die a magnetischen Trennstege 7 (z. B. V2A-Stahl) überbrückt.

Eine andere Verdrehmöglichkeit der Magnetzylinder 3 ist in Fig. 4 aufgezeigt. Die Verdrehung erfolgt hier mit einer Ket te 13. Fig. 5 zeigt die Anordnung im Schnitt. Die Kette 13 ist abwechselnd über und unter Antriebsritzel 14 an den Mag netzylindern 3 geführt, so daß sich der unterschiedliche Drehsinn der Magnetzylinder 3 einstellt.

Ein ähnliche Anordnung wird gemäß Fig. 6 realisiert, bei der eine Stellkette 15 doppelt ausgeführt ist und eine Teilkette jeweils oben und die zweite Teilkette im Wechsel jeweils un ten an einem Magnetzylinder 3 angreift.

Claims

1. Permanentmagnetisch erregte Wirbelstrombremse für ein schienengebundenes Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige, jeweils um eine horizontale quer zur Fahrtrichtung verlaufende Achse (6) drehbare, quader- o der zylinderförmige, in durch die Achse (6) gehender Richtung magnetisierte, mit einer Stelleinrichtung gemeinsam um min destens 90° verdrehbare Magneten (3) in Fahrtrichtung hinter einander in einer Aufhängung (1) unmittelbar über der Schiene (2) angeordnet sind.

2. Wirbelstrombremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (3) jeweils aus einem im wesentlichen qua derförmigen Permanentmagnet (4) und aus amagnetischem Werk stoff bestehenden Segmenten (5) zu einem Zylinder zusam mengesetzt sind.

3. Wirbelstrombremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Magneten (3) in der Aufhängung (1) schie nenseitig amagnetische Trennstege (7) angeordnet sind.

4. Wirbelstrombremse nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung (1) aus weichmagnetischem Werkstoff be steht.

5. Wirbelstrombremse nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung durch mit den Magneten (3) verbun dene, miteinander im Eingriff befindliche Zahnräder (8) realisiert ist, von denen eines durch ein Stellglied (9) an treibbar ist.

6. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung durch eine von einem Stellglied (9) betätigbare, abwechselnd an gegenüberliegenden Seiten der Magnete angreifenden Kette (12) realisiert ist.

7. Wirbelstrombremse nach einen der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung durch eine Feder vorgespannt ist.

8. Wirbelstrombremse nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (9) pneumatisch, hydraulisch oder elek trisch angetrieben ist.