DE10009331A1 - Magnetische Bremse mit Aktuatoren zur Einstellung des Abstandes von der Schienenoberkante - Google Patents
Magnetische Bremse mit Aktuatoren zur Einstellung des Abstandes von der SchienenoberkanteInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine magnetische Bremse, insbesondere lineare Wirbelstrombremse für Schienenfahrzeuge mit wenigstens einem Bremsmagneten, der über eine Aufhängevorrichtung an einem Fahrzeugelement angeordnet und in Richtung der Schiene sowie von dieser weg bewegbar ist. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängevorrichtung Aktuatoren umfaßt, die den Bremsmagneten in der Bremsstellung halten.
Description
Die Erfindung betrifft eine magnetische Bremse, insbesondere eine lineare Wirbel
strombremse für Schienenfahrzeuge mit wenigstens einem Bremsmagneten, der über
eine Aufhängevorrichtung an einem Fahrzeugelement angeordnet ist und in Richtung
der Schiene hin- sowie von dieser wegbewegbar ist, sowie ein Verfahren zur Steuerung
und/oder Regelung einer magnetischen Bremse gemäß dem Oberbegriff des Anspru
ches 11.
Bei magnetischen Bremsen, inbesondere linearen Wirbelstrombremsen handelt es sich
um ein Bremssystem, die sich durch volkommene Verschleißfreiheit und Haftwertunab
hängigkeit auszeichnen. In der neuzeitlichen Rad-Schiene-Technik sind derartige
Bremssysteme unverzichtbar. Die haftwertunabhängige und berührungslose lineare
Wirbelstrombremse wird insbesondere als hochwirksame Schnell- und Betriebsbremse
eingesetzt. Sie besteht aus einem Eisenjoch mit mehreren Polkernen. Elektrische
Spulen erregen dabei die Bremse magnetisch so, daß alternierende, magnetische
Nord- und Südpole entstehen. Bei Bewegung der Wirbelstrombremse über die Schiene
ergeben sich durch die zeitlichen Flußänderungen elektrische Spannungen und Wirbel
ströme. Dieses sekundäre Magnetfeld der Wirbelströme ist dem Magnetfeld der Brem
se entgegengerichtet. Hieraus ergibt sich eine entgegengesetzt zur Fahrtrichtung wir
kende horizontale Kraftkomponente, die Bremskraft.
Bei einer Wirbelstrombremse sind die Polkerne, die durch Stromerregung die obenge
nannten Nord- und Südpole ergeben, entlang eines Balkens hintereinander angeord
net. Betreffend den prinzipiellen Aufbau eines Wirbelstrom-Schienenbremsmagneten
wird auf die EP-A 0 640 520 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende
Anmeldung vollumfänglich mitaufgenommen wird.
Aus der EP-A-0 724 998 ist eine magnetische Bremse, insbesondere eine lineare Wir
belstrombremse bekannt geworden, die sich im aktiven Zustand auf dem Radsatzlagergehäuse
des Drehgestelles abstützt, wodurch beispielsweise ein gleichmäßiger
Luftspalt von 5-7 mm zur Schienenoberkante sicher eingehalten werden kann.
Bei der magnetischen Bremse gemäß der EP-A-0 724 998 bildet ein Integralträger
gleichzeitig den magnetischen Rückschluß für die Spulen und das tragende Teil zur
Abstützung der Anzugskräfte über die Tragarme auf die Achslager. Für eine parallele
Führung über der Schiene sorgen Spurhalter, die zusammen mit den Trägern einen
steifen Bremsrahmen bilden. Die Bremskräfte werden über beidseitig gelenkig gela
gerte Bremskraftstützen auf das Drehgestell übertragen. Luftbälge halten den Brems
rahmen, wenn nicht gebremst wird, mit Druckluft in Hochlage. Im Bremsfall wird der
Rahmen auf die Achslager abgesenkt, wobei im nicht erregten Zustand ein Luftspalt
von 7 mm zwischen Bremse und Schiene eingestellt ist. Der Bremsmagnet stützt sich
beim Stand der Technik in Form der EP-A-0 724 998 in der Bremsstellung über die
Längsträger in dem ungefederten Achslagergehäuse ab.
Nachteilig an der magnetischen Bremse gemäß der EP-A-0 724 998 sind das hohe
Gewicht, die Abstützung an den Radsätzen und der große Einbauraum im Drehgestell.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verschleißfreie, magnetische Bremse, insbesondere
eine Wirbelstrombremse, anzugeben, die deutlich leichter ist und weniger Bauraum
benötigt als die bisher bekannten magnetischen Bremsen. Desweiteren soll es möglich
sein, die Bremsmagnete während der Bremsung beispielsweise im unteren Geschwin
digkeitsbereich und im Stillstand bis auf die Schiene abzusenken. Dann kann die mag
netische Bremse bei Laubfall auch als Putzbremse und im Stillstand als Parkbremse
genutzt werden. Desweiteren wird eine verbesserte Diagnose im Schadensfalle, z. B.
bei Bruch eines Bauteiles, mit Erkennung einer Schienenberührung angestrebt.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Aufhängevorrichtung für die
magnetische Bremse Aktuatoren umfaßt, die den Bremsmagneten in Bremsstellung
halten. In Bremsstellung stützt sich dann die erfindungsgemäße Bremse nicht wie die
aus der EP-A-0 724 998 bekannte Ausführungsform passiv in den Achslagergehäusen
ab, sondern ist wie in der Hochlage mit Hilfe der Aktuatoren am Drehgestellrahmen
aufgehängt. Durch eine derartige Anordnung entfallen die Tragarme und die Integral
träger können wesentlich einfacher mit kleineren Abmessungen gefertigt werden. Ins
besondere ist die Masse der magnetischen Bremse, insbesondere der Wirbelstrom
bremse bei einer derartigen Konstruktion auch in der Bremsstellung über die Primärfe
dern abgefedert.
Neben der Anordnung der magnetischen Bremse an einem Drehgestell ist es auch
möglich, die Magnetbremse am Wagenkasten anzuordnen.
Als Aktuatoren sind pneumatische, elektromechanische oder hydraulische Aktuatoren
denkbar.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die magnetische Bremse eine Sensoreinrichtung
zum Ermitteln des Abstandes der magnetischen Bremse von der Schienenoberkante
umfaßt. Eine derartige Sensorik ermöglicht es, aktiv den Luftspalt zwischen Brems
magnet und Schiene zu regeln. So ist es möglich durch entsprechende Betätigung der
Aktuatoren insbesondere im unteren Geschwindigkeitsbereich, in dem die Anzugskraft
des Magneten progressiv zunimmt, den vorgegebenen Luftspalt aufrechtzuerhalten, in
dem die Gegenkraft des Aktuators auf den Bremsmagneten beispielsweise erhöht wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird neben dem Ab
stand der magnetischen Bremse von der Schienenoberkante auch die Geschwindigkeit
des Schienenfahrzeuges oder die Beschaffenheit der Schiene ermittelt. Durch Ermitt
lung dieser Größen ist es möglich, beispielsweise bei niedrigen Geschwindigkeiten und
schlechten Haftwerten der Schienen die Bremsmagnete bis auf die Gleisschiene abzu
senken, um dort als Schienenputzbremse zu wirken. Im Falle von permanentmagneti
schen Wirbelstrombremsen kann durch Absenken des Bremsmagneten bei Fahrzeug
geschwindigkeit Null dieser auch als Parkbremse genutzt werden.
Als Sensoren zur Ermittlung des Abstandes der Wirbelstrombremse von der Schienen
oberkante finden bevorzugt berührungslose Wegmeßsysteme auf Wirbelstrombasis
Verwendung.
Neben der magnetischen Bremse stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Steuerung
und/oder Regelung einer magnetischen Bremse an einem Fahrzeug, insbesondere ei
nem Schienenfahrzeug, zur Verfügung, wobei die magnetische Bremse an einem Fahr
zeugelement angeordnet ist und mittels von Aktuatoren zur Schienenoberkante hin und
von ihr weg bewegt werden kann. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch nachfolgen
de Schritte:
Zunächst wird ein bestimmter Abstand der magnetischen Bremse von der Schienen
oberkante vorgegeben, die erreicht werden soll. Sodann wird mittels von Sensoren der
aktuelle Abstand der Bremse von der Schienenoberkante ermittelt. Ergibt der Vergleich
von ermitteltem und vorbestimmtem Abstand eine Abweichung, so wird mittels der Ak
tuatoren die magnetische Bremse an die Schienenoberkante heran- oder von ihr weg
bewegt, so daß der vorbestimmte Abstand eingestellt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß
neben dem Abstand des Bremsmagneten von der Schienenoberkante auch die Ge
schwindigkeit des Schienenfahrzeuges ermittelt wird und der Abstand der Bremsmag
neten in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit eingestellt wird. Auf diese Art und Wei
se ist es beispielsweise möglich, bei Geschwindigkeit Null den Bremsmagneten voll
ständig auf die Schiene abzusenken und ihn im Falle einer Wirbelstrombremse mit
Dauermagneten als Parkbremse zu nutzen. Auch ist es möglich bei schlechter Schie
nenbeschaffenheit, z. B. Nässe, den Bremsmagneten vollständig auf den Schienenkopf
abzusenken und als Putzbremse einzusetzen. Die Erfindung soll nachfolgend anhand
der Figuren beispielhaft beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 die Anordnung der erfindungsgemäßen magnetischen Bremse an einem Dreh
gestellrahmen.
In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße magnetische Bremse,
die bevorzugt als Wirbelstrombremse ausgebildet ist, an einem Drehgestell 1 dargestellt.
Das Drehgestell 1 umfaßt einen Drehgestellrahmen 3, an dem die Radachsen
und damit die Räder des Drehgestelles 5 elastisch gelagert sind. Der Drehgestellrah
men wiederum ist elastisch am Wagenkasten 7 verbunden. Die magnetische Bremse
10 ist über Aktuatoren 12 am Drehgestellrahmen gelagert. Mit Hilfe der Aktuatoren 12
kann die magnetische Bremse 10 entlang der Richtung von der Schiene 14 weg und
auf diese hin bewegt werden.
Im ungebremsten Zustand wird die magnetische Bremse 10 durch die Aktuatoren 12
am Drehgestellrahmen gehalten. Der Bremsmagnet entfaltet keinerlei Wirkung in dieser
Stellung. Zum Bremsen wird der Bremsmagnet 10 mit Hilfe der Aktuatoren 12 vom
Drehgestellrahmen 3 in Richtung der Schiene 14 abgesenkt und in die in Fig. 1 darge
stellte Position verbracht. Zwischen Bremsmagnet und Schienenoberkante 14 besteht
ein Luftspalt 16. Der Luftspalt weist eine Größe δ, beispielsweise von 7 mm auf. Die
Wirbelstrombremse kann aus einem Eisenjoch mit mehreren Polkernen bestehen. Mit
Hilfe elektrischer Spulen wird die Bremse magnetisch so erregt, daß alternierend mag
netische Nord- und Südpole entstehen. Bei Bewegung der Wirbelstrombremse unter
dem Luftspaltabstand von beispielsweise 7 mm entlang der Schiene ergeben sich
durch die zeitlichen Flußänderungen elektrische Spannungen und Wirbelströme. Die
ses sekundäre Magnetfeld der Wirbelströme ist dem Magnetfeld der Bremse entgegen
gerichtet. Hieraus ergibt sich dann eine entgegengesetzt zur Fahrtrichtung wirkende
horizontale Kraftkomponente, die als Bremskraft genutzt wird. Betreffend Wirbelstrom
bremsen wird auf "Bremsen für Schienenfahrzeuge, Handbuch Bremstechnische Beg
riffe und Werte, der Knorr Bremse AG München, 1990, Seiten 58 sowie 81" verwiesen,
deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mit einge
schlossen wird.
Mit Hilfe der Sensorik 15, die vorliegend nach dem Prinzip berührungsloser Wegmeß
systeme auf Wirbelstrombasis arbeitet, kann der Abstand des Bremsmagneten von der
Schienenoberfläche 14, mithin der Luftspalt bestimmt werden.
Berühungslose Wegmeßsysteme auf Wirbelstrombasis können für Messungan an Me
ßobjekten aus elektrisch leitenden Werkstoffen verwendet werden. Die Meßobjekte
dürfen sowohl ferromagnetische als auch nicht-ferromagnetische Eigenschaften haben.
Vorliegend ist das Meßobjekt die Schienenoberfläche. Eine in ein Sensorgehäuse ein
gegossene Spule wird von hochfrequentem Wechselstrom durchflossen. Das elektro
magnetische Spulenfeld induziert im leitfähigen Meßobjekt, vorliegend der Schiene,
Wirbelströme. Dadurch ändert sich der Wechselstromwiderstand der Spule. Diese Im
pedanzänderung bewirkt ein dem Abstand des Meßobjekts - vorliegend der Schiene -
zum Sensor proportionales lineares, elektrisches Signal, aus der dann die Größe des
Luftspaltes wird.
Mit Hilfe einer Regelung ist es dann möglich, unabhängig von der Schienenbeschaf
fenheit und der Fahrzeuggeschwindigkeit durch entsprechende Nachregelung einen
vorbestimmten Luftspaltabstand δ mit Hilfe der entsprechend angesteuerten Aktuato
ren aufrecht zu erhalten. So können beispielsweise die bei niedrigen Fahrgeschwindig
keiten auf den Bremsmagneten wirkenden hohen Anzugskräfte durch entsprechende
Gegenkräfte der Aktuatoren 12 kompensiert werden, und ein Berühren der Schienen
oberkante durch den Bremsmagneten 10 verhindert werden.
Eine derartige Regelung erlaubt aber auch, beispielsweise ab einer bestimmten Ge
schwindigkeit, z. B. 50 km/h, den Bremsmagneten vollständig auf die Schiene abzusen
ken und als Putzbremse bzw. im Falle der mit Permanentmagneten erregten Brems
magneten bei Geschwindigkeit Null auch als Parkbremse einzusetzen.
Neben einer Anordnung der erfindungsgemäßen magnetischen Bremse an einem
Drehgestell wäre es auch möglich, beispielsweise bei zweiachsigen Fahrzeugen, in
einer nicht dargestellten Ausführungsform am Wagenkasten direkt anzubringen.
Mit der Erfindung wird erstmals eine magnetische Bremse angegeben, die sich durch
ein niedriges Gewicht auszeichnet sowie einen geringen Einbauraum. Desweiteren
kann nunmehr die Masse der Wirbelstrombremse auch in der Bremsstellung über die
Primärfederung abgefedert werden.
1
Drehgestell
3
Drehgestellrahmen
5
Drehgestellräder
7
Wagenkasten
10
magnetische Bremse
12
Aktuatoren
14
Schiene
15
Sensorik
16
Luftspalt
δ Luftspaltgröße
δvor
δ Luftspaltgröße
δvor
vorgegebene Luftspaltgröße
δakt
δakt
aktuelle Luftspaltgröße
Claims (14)
1. Magnetische Bremse, insbesondere lineare Wirbelstrombremse für Schienen
fahrzeuge mit wenigstens einem Bremsmagneten (10), der über eine Aufhänge
vorrichtung an einem Fahrzeugelement angeordnet und in Richtung der Schiene
(14) sowie von dieser weg bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Aufhängevorrichtung Aktuatoren (12) umfaßt, die den Bremsmagneten (10)
in der Bremsstellung halten.
2. Magnetische Bremse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Aktuatoren (12) derart ausgebildet sind, daß sie den Bremsmagneten (10) in
der Ruhestellung am Fahrzeugelement halten.
3. Magnetische Bremse nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Fahrzeugelement ein Drehgestell (1) eines Schienenfahrzeuges ist.
4. Magnetische Bremse nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Fahrzeugelement der Wagenkasten (7) eines Schienenfahrzeuges ist.
5. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Aktuatoren (12) pneumatische Aktuatoren sind.
6. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Aktuatoren (12) elektromechanische Aktuatoren sind.
7. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Aktuatoren (12) hydraulische Aktuatoren sind.
8. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, dass die Aktuatoren mit Federelementen kombiniert sind.
9. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetische Bremse (10) eine Sensoreinrichtung (15) zum Ermitteln einer
oder mehrerer der nachfolgenden Größen umfaßt:
- - des Abstandes δ) der magnetischen Bremse (10) von der Schienenober kante
- - der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges
- - der Beschaffenheit der Schiene (14).
10. Magnetische Bremse nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetische Bremse (10) eine Steuer-/Regeleinrichtung umfaßt, die mit Hilfe
der Aktuatoren (12) aufgrund der von der Sensoreinrichtung ermittelten Größen
den Abstand von magnetischer Bremse (10) und Schienenoberkante (14) ein
stellt.
11. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetische Bremse (10) eine Wirbelstrombremse ist.
12. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer magnetischen Bremse an
einem Fahrzeug, insbesondere einem Schienenfahrzeug, wobei die magneti
sche Bremse (10) an einem Fahrzeugelement angeordnet ist und mittels von
Aktuatoren (12) zur Schienenoberkante hin und von ihr weg bewegt werden
kann,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- 1. 12.1 es wird ein vorbestimmter Abstand (δvor) der magnetischen Bremse (10) von der Schienenoberkante (14) vorgegeben;
- 2. 12.2 es wird mittels von Sensoren der aktuelle Abstand (δakt) der Bremse von der Schienenoberkante ermittelt;
- 3. 12.3 wenn der ermittelte (δakt) vom vorbestimmten (δvor) Abstand abweicht, wird mittels der Aktuatoren die magnetische Bremse an die Schienenoberkante her an- oder von ihr wegbewegt, so daß der vorbestimmte Abstand e (δvor) einge stellt wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
der vorbestimmte Abstand (δvor) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des
Schienenfahrzeuges gesetzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei Unterschreiten einer Mindestgeschwindigkeit oder bei Fahrzeugstillstand die
Bremse auf die Schiene abgesenkt wird.
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