DE10043917A1

DE10043917A1 - Transportsystem-Wirbelstrombremse

Info

Publication number: DE10043917A1
Application number: DE2000143917
Authority: DE
Inventors: Peter Rosner
Original assignee: Intrasys GmbH Innovative Transportsysteme
Current assignee: Intrasys GmbH Innovative Transportsysteme
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2002-03-14

Abstract

Eine Wirbelstrombremse (10) an zwei relativ zueinander längs einer Längslinie beweglichen Einheiten (12, 14) eines Transportsystems umfasst an einer der beiden Einheiten (12, 14) eine erste Magnetanordnung (20) aus wenigstens einem Magnetelement (24), an der einen Einheit (12) eine zweite Magnetanordnung (20) aus wenigstens einem Magnetelement (24) oder eine magnetische Rückflussanordnung (22), an der anderen Einheit (14) eine zwischen die beiden Magnetanordnungen (20) bzw. zwischen die erste Magnetanordnung (20) und die Rückflussanordnung (22) eingreifende Reaktionsanordnung (26, 28) aus wenigstens einem elektrisch leitfähigen Reaktionselement (28), in welchem bei Vorbeilauf an der Magnetanordnung (20) abbremsende Wirbelströme erzeugt werden. Für die Summe D der Dicke d¶2¶ des Reaktionselements (28) und der lichten Abstände d¶1¶, d¶1¶' zwischen dem Reaktionselement (28) und den beiden Magnetanordnungen (20) bzw. zwischen dem Reaktionselement (28) und der ersten Magnetanordnung (20) und dem Rückflusselement (22) gilt: DOLLAR A 25 mm >= D = d¶1¶ + d¶1¶' + d¶2¶ >= 16 mm, wobei die Abstände d¶1¶ und d¶1¶' und die Dicke d¶2¶ in gleicher Richtung im Wesentlichen quer zur Längslinie (32) verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrombremse an zwei relativ zueinander längs einer Längslinie beweglichen Einheiten eines Transportsystems, umfassend an einer der beiden Einheiten eine erste Magnetanordnung aus wenigstens einem Magnetelement, an der einen Einheit eine zweite Magnetanordnung aus wenigstens einem Magnetelement oder eine magnetische Rückflussanordnung, an der anderen Einheit eine zwischen die beiden Magnetanordnungen bzw. zwischen die erste Magnetanordnung und die Rückflussanordnung eingreifende Reaktionsanordnung aus wenigstens einem elektrisch leitfähigen Reaktionselement, in welchem bei Vorbeilauf an der Magnetanordnung abbremsende Wirbelströme erzeugt werden.

Unter Transportsystem wird allgemein ein System zum Transport von Personen, Gütern oder dergleichen verstanden. Dabei kann es sich um öffentliche Transportsysteme handeln oder auch Transportsysteme innerhalb von Werksanlagen. Ein weiteres Beispiel sind größere Anlagen bei Jahrmarktsbetrieben wie Achterbahnen oder neuerdings auch sogenannte Falltürme. Bei letzteren wird eine Personenkabine in große Höhe (beispielsweise 100 Meter) angehoben und dann fallen gelassen, so dass die Personen sich für Sekunden im Schwerelos-Zustand befinden. Jedoch muss für zuverlässige Abbremsung gesorgt werden. Hierzu sind an der Kabine zwei Magnetleisten angeordnet, in die im Bremsbereich eine stationäre Finne aus relativ gut leitfähigem Material wie Kupfer oder Aluminium eingreift. Bei dem Vorbeilauf erzeugen die Magnetelemente intensive Wirbelströme im Reaktionselement und damit abbremsende Gegenmagnetfelder. Im Falle der Achterbahn sind die Magnetleisten (erste und zweite Magnetanordnung) häufig stationär, ggf. auch momentan wegbewegbar, insbesondere wegklappbar, um die Wirbelstrombremse momentan unwirksam zu machen.

Die Abbremsung kann am Ende der Fahrt erfolgen. Auch während der Fahrt kann vor kritischen Stellen, insbesondere vor Kurven, aus Sicherheitsgründen eine zwangsweise Abbremsung auf eine zulässige Höchstgeschwindigkeit erfolgen.

Die Anforderungen an Wirbelstrombremsen von Transportsystemen sind vielfältiger Natur und widersprechen sich teilweise. Die bei Transportsystemen zu beherrschenden Bremskräfte sind vergleichsweise sehr hoch. Die Wirbelstrombremsen müssen absolut zuverlässig unter allen Einsatzbedingungen arbeiten (siehe beispielsweise Falltürme). Im Sinne einer möglichst großen Bremseffektivität sollten beispielsweise die Luftspalte zwischen den Magnetelementen und dem Reaktionselement möglichst gering sein. Andererseits ist eine gewisse Hitzeverformung der Finne wie auch der Magnete aufgrund der intensiven Wirbelströme unvermeidlich. Der Luftspalt muss daher wenigstens so groß sein, dass auch bei Hitzeverformung keine gegenseitige Berührung und damit Beschädigung der Magnetelemente und der Reaktionselemente stattfindet. Auch muss auf wirtschaftliche Herstellbarkeit geachtet werden. So sind generell im Stahlbau Bautoleranzen im Millimeterbereich hinzunehmen, es sei denn, es wird ein unvertretbar hoher Herstellungs- und Montageaufwand getrieben. Bei Jahrmarkt-Großgeräten ist zu beachten, dass meist keine besonders geschulten Aufbaukräfte zur Verfügung stehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässig arbeitende Wirbelstrombremse mit kostengünstiger Art der Herstellung und Montage bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass für die Summe D der Dicke d₂ des Reaktionselements und der lichten Abstände d₁, d₁' zwischen dem Reaktionselement und den beiden Magnetanordnungen bzw. zwischen dem Reaktionselement und der ersten Magnetanordnung und dem Rückflusselement gilt: 25 mm ≧ D = d₁ + d₁' + d₂ ≧ 16 mm, wobei die Abstände d₁ und d₁' und die Dicke d₂ in gleicher Richtung im Wesentlichen quer zur Längslinie verlaufen.

Befolgt man diese Dimensionierungsregel, so ergibt sich einerseits eine ausreichend große Bremseffektivität, andererseits findet die Finne zwischen den Magnetelementen ausreichend Platz, so dass die Herstellungs- und Justiergenauigkeit in bei Stahlbau üblichem Rahmen bleibt und darüber hinaus momentane Hitzeverformungen tolerierbar sind.

Die Dicke d₂ der Finne liegt besonders bevorzugt zwischen 4 mm und 8 mm. Sie ist damit einerseits nicht so dick, dass sie den Abstand der einander gegenüberliegenden Magnetelemente allzu sehr vergrößert, was die Magnetfeldstärke und somit die Bremseffektivität beeinträchtigen würde. Zum anderen ist sie ausreichend dick, um während des Bremsbetriebs nicht allzu stark erhitzt zu werden und um die auftretenden Bremskräfte problemlos ableiten zu können. Die angegebene Bemessungsregel gilt für die üblicherweise eingesetzten Materialien wie Aluminium, Kupfer sowie Metalllegierungen.

Die Abstände d₁, d₁' liegen bevorzugt zwischen 5 mm und 10 mm.

Bevorzugt sind die Abstände d₁ und d₁' im Wesentlichen gleich. Dies ergibt besonders einfachen Aufbau und gleichmäßige Belastung der Finne.

Ein wichtiges Dimensionierungsmaß der Magnetelemente ist deren Höhe f. Erfindungsgemäß soll diese größer oder gleich dem 2,5fachen der Summe D sein. Kleinere Magnetelemente sind zwar kostengünstiger; die Bremseffektivität nimmt jedoch überproportional ab, da offenbar die Streuverluste stark anwachsen. Werden dagegen deutlich größere Magnetelemente eingesetzt, so ergeben sich deutlich größere Anschaffungskosten ohne entsprechend anwachsende Bremseffektivität.

Bevorzugt gilt für den lichten Abstand h - g zwischen unmittelbar aufeinander folgenden Magnetelementen: 2D ≧ h - g ≧ D. Es hat sich herausgestellt, dass kleinerer bzw. größerer Abstand jeweils zu reduzierter Bremseffektivität führt. Es ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass im beanspruchten Bereich die Inhomogenität des Magnetfelds zwischen den Magneten besonders hoch und damit die Intensität der induzierten Wirbelströme besonders groß ist.

Aus möglicherweise ähnlichen Gründen hat sich eine Breite g der Magnetelemente zwischen dem Zweifachen der Summe und dem Vierfachen der Summe D afs optimal herausgestellt.

Von den Anschaffungskosten sowie der Bremseffektivität her optimal ist eine zwischen dem 0,75fachen und dem 1,25fachen der Summe D liegende Dicke d₃ der Magnetelemente.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Reaktionselement zumindest einseitig über die Magnetanordnung quer zur Längsrichtung um einen Überstand H herausragt, für den gilt: H ≧ 0,8D, vorzugsweise H ~ 0,8D. Aufgrund des beanspruchten Überstands wird das Magnetfeld der Magnetelemente auch außerhalb des Bereichs zwischen den Magnetelementen optimal ausgenutzt.

Die Erfindung wird im Folgenden an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Schnittansicht einer Wirbelstrombremse, wie sie beispielsweise an Falltürmen zum Einsatz kommt;

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Magnetelemente in einer Magnetanordnung als Teil der Wirbelstrombremse gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt beispielhaft den prinzipiellen Aufbau einer Wirbelstrombremse, wie sie bei Falltürmen zum Einsatz kommt, wobei die Ansicht eine Ebene quer zur Fallrichtung darstellt. Gut zu erkennen ist das Eingreifen einer beispielsweise stationären Einheit 14 in eine bewegliche Einheit 12.

Die hier bewegliche Einheit 12 setzt sich zusammen aus einem Träger 16, auf dem ein Joch 18 vorgesehen ist. Der Träger 16 ist in der vorliegenden Ausführungsform Teil einer Personenkabine, welche zur Einheit 14 relativ beweglich ist. Das Joch 18 dient einerseits der Aufnahme von zwei Magnetanordnungen 20 bzw. einer Magnetanordnung 20 und einer Magnetrückflussanordnung 22. Die Magnetanordnungen 20 umfassen ihrerseits jeweils eine Trägerplatte 30 und mehrere Magnetelemente 24. Die Magnetelemente 24 (Permanentmagnete) stellen das zur Induktion der Wirbelströme benötigte Magnetfeld zur Verfügung. Im Falle der nur einseitigen Verwendung einer Magnetanordnung 20 erfolgt der magnetische Rückschluss über eine auf der der Magnetanordnung 20 gegenüberliegenden Seite vorgesehenen magnetischen Rückflussanordnung 22 (in Fig. 1 nicht dargestellt) aus ferromagnetischem Material, insbesondere Stahl.

Die zur Auslegung der optimalen Bremseffektivität verwendeten geometrischen Abmessungen der Magnetelemente 24 sind mit Höhe f, Breite g und Dicke d₃ definiert. Der Abstand zwischen den Magnetelementen 24 ergibt sich aus h - g (Fig. 2).

Die in der vorliegenden Ausführungsform stationäre Einheit 14 umfasst einen Träger 26, an welchem eine Finne 28 angebracht ist. Die Finne 28, welche aus relativ gut leitfähigem Material wie Kupfer oder Aluminium besteht, greift als Reaktionsanordnung in die Einheit 12 zwischen die Magnetanordnungen 20 ein. Im Falle einer Relativbewegung zwischen Finne 28 und Magnetelementen 24 kommt es aufgrund der Magnetfeldwirkung auf die Finne 28 zur Induktion von Wirbelströmen im Material der Finne 28. Diese Wirbelströme wiederum erzeugen ein Magnetfeld, welches dem der Magnetelemente 24 entgegenwirkt. Somit kommt es zu einer Bremswirkung auf die bewegliche Einheit 12 bei Eintritt der Finne 28 zwischen die Magnetanordnungen 20.

Die Finne 28 befindet sich nur im Bremsbereich der Personenkabine, ist demnach nicht ständig im Eingriff mit der Einheit 12.

Des Weiteren kann die Finne 28 zur weiteren Optimierung der Bremseffektivität segmentiert werden. Dabei werden Materialien verschieden hoher elektrischer Leitfähigkeit in Form von Segmenten hintereinander zusammengefügt und bilden somit die Finne 28, welche sich der jeweiligen Geschwindigkeit der Personenkabine mit der durch das jeweilige Material bestimmten Bremswirkung anpasst. So wird ein möglichst ruckfreies gleichmäßiges Abbremsen erreicht und eine Überhitzung der Finne 28 vermieden.

Die für die Optimierung der Bremseffektivität erforderliche Dicke der Finne 28 ist mit d₂ bezeichnet. Zur optimalen Ausnutzung der Magnetfelder der Magnetanordnungen 20 weist die Finne 28 beidseits einen Überstand H gegenüber den Magnetelementen 24 auf. Mit d₁ ist der Abstand zwischen der einen Magnetanordnung 20 und der Finne 28 definiert, d₁' ist der Abstand zwischen der zweiten Magnetanordnung 20 und der Finne 28 bzw. zwischen dem magnetischen Rückflusselement 22 und der Finne 28.

In Fig. 2 ist die Lage der einzelnen Magnetelemente 24 in der Magnetanordnung 20 zueinander dargestellt. Die einzelnen Magnetelemente 24 sind auf einer Trägerplatte 30 angeordnet, welche einerseits zur Fixierung der Magnetelemente 24 dient und andererseits zur Anbringung am Joch 18. Die Richtung der Bewegung der beiden Einheiten 12 und 14 relativ zueinander ist durch Längslinie 32 dargestellt.

Die in den Fig. 1 und 2 beschriebenen geometrischen Abmessungen sind die Basis für die Aufstellung geeigneter Dimensionierungsregeln, mit denen eine optimale Bremseffektivität erzielt wird.

Um eine Kollision der Finne 28 mit den Magnetanordnungen 20 unter allen Umständen auch unter Berücksichtigung von Montageungenauigkeiten und temperaturbedingten und/oder lastbedingten Verformungen zu vermeiden und zur optimalen Ausnutzung der Magnetfelder der Magnetelemente 24 sollte die Summe D der Dicke d₂ der Finne 28 und der lichten Abstände d₁ und d₁' zwischen der Finne 28 und den beiden Magnetanordnungen 20 bzw. zwischen der Finne 28 und der ersten Magnetanordnung 20 und dem Rückflusselement 22 zwischen 16 mm und 25 mm liegen.

Die Größe der Magnetelemente 24 bestimmt entscheidend die Kosten der gesamten Anordnung. Bei großen Magnetelementen 24 treten zusätzlich zu den hohen Kosten auch noch Streuverluste an den Schmalseiten der Magnetelemente 24 auf, was sich negativ auf die Bremseffektivität auswirkt. Sind die Magnetelemente zu klein dimensioniert, müssen für die gleiche Bremswirkung mehr Magnetelemente 24 vorgesehen werden, was bei vergleichbaren Kosten für die Magnetanordnungen 20 zu einem erhöhten Herstellungs- und Montageaufwand der gesamten Anordnung führt.

Mit Blick auf eine möglichst hohe Bremskraft bei wirtschaftlicher Herstellbarkeit hat sich gezeigt, dass dieses Ziel vorzugsweise erreicht wird, wenn die geometrischen Abmessungen der Magnetelemente 24 innerhalb der folgenden Bereichsvorgaben liegen:

- Höhe f ≧ 2,5D,
- 4D ≧ Breite g ≧ 2D,
- 1,25D ≧ Dicke d₃ ≧ 0,75D.

Weiterhin hat die Optimierung der Bremseffektivität ergeben, dass die Dicke d₃ der Magnetelemente 24 vorzugsweise nahezu gleich der Summe des zweifachen lichten Abstands d₁ (d₁') und der Dicke d₂ der Finne 28 sein sollte. Dabei liegen die Abstände d₁, d_1' bevorzugt zwischen 5 mm und 10 mm und die Dicke d₂ der Finne 28 zwischen 4 mm und 8 mm. Für die Höhe f hat sich der Bereich zwischen 50 mm und 150 mm als vorteilhaft erwiesen. Für die Breite g der Magnetelemente 24 gilt in Abhängigkeit von dem Maß h bevorzugt: 100 mm ≧ h ≧ 0,8 h ≧ g ≧ 50 mm.

Des Weiteren gilt für den Überstand H der Finne 28: H ≧ 0,8D, vorzugsweise H ~ 0,8D.

Als besonders bevorzugt erwies sich eine Ausführungsform mit einer Höhe f der Magnetelemente 24 von 100 mm, einer Breite g der Magnetelemente 24 von 60 mm und einer Dicke d₃ der Magnetelemente 24 von 22 mm mit einem Maß h von 83 mm und einer Summe D von 20 mm.

Grundsätzlich ist es in Abweichung zur beschriebenen Ausführungsform auch möglich, die Einheit 14 beweglich und die Einheit 12 stationär auszuführen. In Ergänzung dazu können auch beide Einheiten beweglich vorgesehen sein, wobei eine Bremswirkung dann nur bei einer Relativbewegung der beiden Einheiten zueinander auftritt.

In der oben beschriebenen Ausführungsform ist das Joch 18 im Verhältnis zur Finne 28 kürzer ausgebildet, so dass man für diese Ausführungsform von einem Kurz-Joch und einer Lang-Finne sprechen kann. In Abwandlung dessen ist folglich auch eine Ausführungsform mit einem Lang-Joch und einer Kurz-Finne möglich.

Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen geradlinigen Ausführungsformen sind schließlich auch Ausführungsformen mit gekrümmter Längslinie 32, wie beispielsweise bei Kurven (z. B. von Achterbahnen) ausführbar. Selbst Ausführungsformen mit Kreisform der Längslinie 32, wie z. B. für rotierende Maschinen, sind denkbar.

Claims

1. Wirbelstrombremse (10) an zwei relativ zueinander längs einer Längslinie beweglichen Einheiten (12, 14) eines Transportsystems, umfassend
an einer der beiden Einheiten (12, 14) eine erste Magnetanordnung (20) aus wenigstens einem Magnetelement (24),
an der einen Einheit (12) eine zweite Magnetanordnung (20) aus wenigstens einem Magnetelement (24) oder eine magnetische Rückflussanordnung (22),
an der anderen Einheit (14) eine zwischen die beiden Magnetanordnungen (20) bzw. zwischen die erste Magnetanordnung (20) und die Rückflussanordnung (22) eingreifende Reaktionsanordnung (26, 28) aus wenigstens einem elektrisch leitfähigen Reaktionselement (28), in welchem bei Vorbeilauf an der Magnetanordnung (20) abbremsende Wirbelströme erzeugt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Summe D der Dicke d₂ des Reaktionselements (28) und der lichten Abstände d₁, d₁' zwischen dem Reaktionselement (28) und den beiden Magnetanordnungen (20) bzw. zwischen dem Reaktionselement (28) und der ersten Magnetanordnung (20) und dem Rückflusselement (22) gilt:
25 mm D = d₁ + d₁' + d₂ ≧ 16 mm,
wobei die Abstände d₁ und d_1' und die Dicke d₂ in gleicher Richtung im Wesentlichen quer zur Längslinie (32) verlaufen.

2. Wirbelstrombremse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Dicke d₂ gilt:
8 mm ≧ d ≧ 24 mm.

3. Wirbelstrombremse (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abstände d₁, d₁' gilt:
10 mm ≧ d₁, d₁' ≧ 5 mm.

4. Wirbelstrombremse (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände d₁, d₁' im Wesentlichen gleich sind.

5. Wirbelstrombremse (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die zur Längslinie (32) sowie zu den Abständen im Wesentlichen senkrechte Höhe f der Magnetelemente (24) gilt:
f ≧ 2,5D, vorzugsweise f ~ 2,5D.

6. Wirbelstrombremse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den lichten Abstand h - g zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Magnetelementen (24) gilt:
2D ≧ h - g ≧ D.

7. Wirbelstrombremse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die sich parallel zur Längslinie (32) erstreckende Breite g der Magnetelemente (24) gilt:
4D ≧ g ≧ 2D.

8. Wirbelstrombremse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die sich parallel zu den Abständen d₁, d_1' erstreckende Dicke d₃ der Magnetelemente (24) gilt:
1,25D ≧ d₃ ≧ 0,75D.

9. Wirbelstrombremse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionselement (28) zumindest einseitig über die Magnetanordnung (20) quer zur Längsrichtung (32) um einen Überstand H herausragt, für den gilt:
H ≧ 0,8D, vorzugsweise H ∼ 0,8D.