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Die
Erfindung richtet sich auf eine Wirbelstrombremsanordnung für ein Trainingsgerät, umfassend
eine Welle, einen konzentrisch zu der Mittel-Längs-Achse
der Welle auf dieser gelagerten und drehangetriebenen Anker zur
Ausbildung von Wirbelströmen
und eine konzentrisch zu der Mittel-Längs-Achse
auf der Welle angeordnete Scheibe zur Befestigung von strombeaufschlagbaren
Spulen sowie zur Ausbildung eines Magnetfeldes. Ferner betrifft
die Erfindung ein Trainingsgerät
zum Erbringen einer Trainingsleistung einer trainierenden Person
in Abhängigkeit
von einer gesteuerten Bremsleistung mit einer derartigen Wirbelstrombremsanordnung. Derartige
bekannte Trainingsgeräte
werden sowohl im Fitnessbereich wie auch im medizinischen Bereich verwendet.
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Eine
Wirbelstrombremsanordnung der gattungsgemäßen Art ist durch offenkundige
Vorbenutzung bekannt. Durch die Drehung des Ankers relativ zum fest
stehenden Magnetfeld werden im Anker Wirbelströme induziert, die zusammen
mit dem Magnetfeld ein Bremsmoment hervorrufen. Die Höhe des Bremsmoments
ist vom Erregerstrom durch die strombeaufschlagbaren Spulen sowie
von der Drehzahl des Ankers abhängig.
Die im Anker induzierten Wirbelströme wandeln die kinetische Energie
des Ankers in Wärme
um und führen
somit zu einem Bremsmoment auf den Anker.
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Bekannte
derartige Wirbelstrombremsanordnungen weisen einen einteilig aus
Eisen ausgebildeten Anker auf, der die Scheibe zur Befestigung der strombeaufschlagbaren
Spulen seitlich umgreift und auf der Welle gelagert ist. Dies weist
den Nachteil auf, dass die Herstellung des komplex geform ten Ankers
kostenaufwändig
ist. Weiterhin wird ein großer Anteil
des hochwertigen Ankermaterials nicht genutzt, da eine spanende
Befestigung erforderlich ist.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstrombremsanordnung
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine kostengünstigere
Herstellung bei einer gleichzeitigen Verbesserung der Bremswirkung ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen elektrisch leitfähigen
Ankerring, welcher an einem unmagnetischen Ankerringträger konzentrisch
zu der Mittel-Längs-Achse
befestigbar ist, eine im Vergleich zu dem Ankerringträger unterschiedliche
elektrische Leitfähigkeit
aufweist, und mit der Scheibe und den strombeaufschlagbaren Spulen zum
Abbremsen des Ankers elektro-magnetisch zusammenwirkt.
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Durch
die mindestens zweiteilige Ausführung
des Ankers können
für den
Ankerringträger
und den Ankerring unterschiedliche Materialien verwendet werden.
Die Verwendung von hochwertigem Material kann sich auf den eigentlichen
Ankerring beschränken.
Weiterhin kann die Herstellung vereinfacht werden, da der Ankerring
eine einfache Form aufweist und leicht an den Ankerringträger befestigbar
ist. Der Ankerringträger
kann zu diesem Zweck aus einem Material sein, das kostengünstig und
einfach formbar ist. Der Ankerring kann an den Ankerringträger entweder
nachträglich,
beispielsweise durch Einpressen oder Ankleben, oder im Zuge der Herstellung
des Ankerringträgers,
beispielsweise durch Umspritzen, an dem Ankerringträger befestigt werden.
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Vorzugsweise
besteht der Ankerring aus Eisen, da Eisen eine elektrische Leitfähigkeit
aufweist, die gute Eigenschaften zur Ausbildung von Wirbelströmen und
zur wirkungsvollen Umwandlung der kinetischen Energie des Ankers
in Wärme
garantiert.
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Mit
Vorteil ist weiterhin vorgesehen, dass der Ankerring aus einem Rohrabschnitt
besteht. Diese Ausgestaltung garantiert eine einfache und kostengünstige Herstellung
des Ankerrings durch einfaches Abschneiden von einem Rohr. Zusätzlich weist
die Wirbelstrombremsanordnung eine deutlich verbesserte Bremswirkung
auf.
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Günstigerweise
kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Ankerringträger aus
Aluminiumspritzguss besteht. Die Herstellung eines derartigen Ankerringträgers ist
einfach und kostengünstig.
Zusätzlich
ist der Ankerringträger
verzugsfrei und weist eine hohe mechanische Stabilität auf.
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Mit
Vorteil kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Ankerringträger aus
Kunststoff besteht. Dies ermöglicht
ebenfalls eine kostengünstige
und einfache Herstellung des Ankerringträgers durch Spritzverfahren.
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Günstigerweise
ist weiterhin vorgesehen, dass der Ankerringträger konzentrisch zu der Mittel-Längs-Achse
auf der Welle gelagert und drehantreibbar ist. Die Ausgestaltung
des Ankerringträgers zur
gleichzeitigen Lagerung auf der Welle und zur Befestigung des Ankerrings
ermöglicht
eine Herstellung des Ankers aus im Wesentlichen zwei Bauteilen und
somit eine einfache Herstellung der Wirbelstrombremsanordnung.
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Vorteilhaft
ist weiterhin die Anordnung des Ankerrings zwischen der Scheibe
und dem Ankerringträger.
Dies garantiert eine optimale Anord nung des Ankerrings im Magnetfeld
und somit eine optimale Bremswirkung.
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Günstigerweise
kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Ankerringträger sich
in Richtung der Welle erstreckende Lüftungsöffnungen aufweist. Derartige
Lüftungsöffnungen
ermöglichen
den Abtransport von Wärme
aus der Wirbelstrombremsanordnung und somit eine verbesserte Bremswirkung.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass die Lüftungsöffnungen gleichmäßig über dem
Ankerringträger verteilt
sind, wodurch eine Vermeidung von Unwuchten sowie ein gleichmäßiger Abtransport
der Wärme aus
der Wirbelstrombremsanordnung ermöglicht wird.
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Günstigerweise
kann vorgesehen sein, dass sich die Lüftungsöffnungen verjüngen. Je
nach Verjüngungsrichtung
kann somit Luft zur Kühlung
der Wirbelstrombremsanordnung in diese hineingepresst oder herausgesaugt
werden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein im Vergleich
zum Stand der Technik kostengünstigeres
Trainingsgerät
mit einer verbesserten Bremswirkung bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Trainingsgerät
zum Erbringen einer Trainingsleistung einer trainierenden Person
in Abhängigkeit
von einer gesteuerten Bremsleistung mit einer erfindungsgemäßen Wirbelstrombremsanordnung
gelöst.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine Wirbelstrombremsanordnung; und
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2 eine
Schnittdarstellung der Wirbelstrombremsanordnung nach 1 entlang
der Schnittlinie II-II.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine
Wirbelstrombremsanordnung gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
beschrieben. Eine als Ganzes mit 1 bezeichnete Wirbelstrombremsanordnung
umfasst eine Welle 2 mit einer zugehörigen Mittel-Längs-Achse 3,
einen konzentrisch zu der Mittel-Längs-Achse 3 auf der Welle 2 gelagerten
und drehangetriebenen Anker 4 sowie eine konzentrisch zu
der Mittel-Längs-Achse 3 auf
der Welle 2 angeordnete Scheibe 5 zur Befestigung
von strombeaufschlagbaren Spulen 6. Der Anker 4 weist
einen elektrisch leitfähigen
Ankerring 7 auf, der an einem unmagnetischen Ankerringträger 8 konzentrisch
zu der Mittel-Längs-Achse 3 befestigt ist.
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Der
Ankerringträger 8 umfasst
einen zu seiner Lagerung auf der Welle 3 dienenden Nabenabschnitt 9,
einen zur Befestigung des Ankerrings 7 dienenden Befestigungsabschnitt 10 sowie
einen den Nabenabschnitt 9 und den Befestigungsabschnitt 10 verbindenden
Belüftungsabschnitt 11.
Der Nabenabschnitt 9 des Ankerringträgers 8 ist mittels
beabstandet angeordneter Ankerlager 12 drehbar auf der
Welle 2 gelagert. Die Ankerlager 12 sind zu diesem Zweck
an der Innenwand 13 des Nabenabschnitts 9 mittels
Presspassung befestigt und durch nicht näher beschriebene Anschläge sowie
einen ersten Sicherungsring 14 gegen Verschiebung in Richtung
der Mittel-Längs-Achse 3 gesichert.
Die Ankerlager 12 sind als Leichtlauflager ausgebildet.
Der Nabenabschnitt 9 ist an seinem der Scheibe 5 zugewandten Ende
im Übergangsbereich 15 zum
Belüftungsabschnitt 11 derart
aus gestaltet, dass sich die axiale Abmessung des Nabenabschnitts 9 in
Richtung der Scheibe 5 zur Erzielung eines größeren Abstandes der
Ankerlager 12 vergrößert. Der
Nabenabschnitt 9 weist weiterhin an seinem der Scheibe 5 abgewandten
Ende eine profilierte Außenwand 16 zur
reibschlüssigen
Befestigung eines nicht näher
dargestellten Antriebsriemens auf. Der sich im Wesentlichen senkrecht
von dem Nabenabschnitt 9 erstreckende Belüftungsabschnitt 11 weist
gleichmäßig über seinen
Umfang verteilte Lüftungsöffnungen 17 auf.
Die Lüftungsöffnungen 17 erstrecken
sich in Richtung der Mittel-Längs-Achse 3 und
verjüngen sich
zur Scheibe 5 hin. Eine Verjüngung in entgegengesetzter
Richtung ist ebenfalls möglich.
An seinem dem Befestigungsabschnitt 10 zugewandten Ende weist
der Belüftungsabschnitt 11 weiterhin
einen Ankerringanschlag 18 zur geringfügig beabstandeten Anordnung
des Ankerrings 7 auf. Der Befestigungsabschnitt 10 erstreckt
sich im Wesentlichen senkrecht vom Belüftungsabschnitt 11 und
umgreift die Scheibe 5. Der Befestigungsabschnitt 10 weist
in radialer Richtung eine Dicke von ca. 2 bis 3 mm auf. An seiner
Innenwand 19 ist der Ankerring 7 flächig befestigt.
Die Befestigung kann mittels Einpressung oder Anklebung erfolgen.
Der Ankerringträger 8 besteht
aus Aluminiumspritzguss, wohingegen der Ankering 7 aus
Eisen hergestellt ist.
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Die
aus Eisen hergestellte Scheibe 5 ist mittels zweier beabstandet
angeordneter Scheibenlager 20 konzentrisch zur Mittel-Längs-Achse 3 auf
der Welle 2 drehbar gelagert. Die Scheibenlager 20 sind an
einer Scheibennabe 21 der Scheibe 5 durch Presspassung
befestigt und mittels nicht näher
dargestellter Anschläge
sowie einem zweiten Sicherungsring 22 gegen Verschiebung
in Richtung der Mittel-Längs-Achse 3 gesichert.
Die Scheibenlager 20 können
als Leichtlauflager ausgebildet sein. Die Scheibe 5 ist
in axialer Richtung derart angeordnet, dass ihre Scheibenaußenwand 23 bündig mit
dem Ankerring 7 und dem Befestigungsabschnitt 10 des Ankerring trägers 8 ausgerichtet
ist. An ihrer Scheibeninnenwand 24 weist die Scheibe 5 eine
konzentrisch zur Mittel-Längs-Achse 3 angeordnete
und entsprechend dem Übergangsbereich 15 des
Ankerringträgers 8 geformte
Vertiefung 25 auf. Die axiale Abmessung der Scheibe 5 ist
geringer als die axiale Abmessung des Ankerrings 7. Die
Scheibe 5 weist weiterhin über ihren Außenumfang
gleichmäßig verteilte
Aussparungen 26 zur Aufnahme der strombeaufschlagbaren
Spulen 6 auf. Die Aussparungen 26 sind in Richtung
der Mittel-Längs-Achse 3 mittig
in der Scheibe 5 angeordnet und in Richtung des Ankerrings 7 offen.
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In
den Aussparungen 26 sind die strombeaufschlagbaren Spulen 6 aus
Kupferdraht angeordnet. Die Anschlüsse der Spulen 6 werden über eine nicht
näher beschriebene
Nut 27 aus der Scheibe 5 nach außen geführt. Zur
besseren Ausbildung magnetischer Pole weist die Scheibe 5 gleichmäßig über ihren
Außenumfang
verteilte und abwechselnd angeordnete Polerhöhungen 28 und Polnuten 29 auf.
Die stromdurchflossenen Spulen 6 werden derart in den Aussparungen 26 angeordnet,
dass ihre Spulen-Mittel-Längs-Achsen jeweils mittig
zu den Polnuten 29 angeordnet sind. Die magnetischen Feldlinien
des durch die Spulen 6 erzeugten Magnetfeldes schließen sich über den
Ankerring 7.
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Weiterhin
weist die Scheibenaußenwand 23 der
Scheibe 5 mehrere Bohrlöcher 30 in
Form eines Sacklochs mit Innengewinde auf, die beispielsweise zur
Befestigung von nicht näher
dargestellten Messvorrichtungen dienen.
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Die
Welle 2 weist zu ihrer Befestigung zwei stirnseitig und
konzentrisch zur Mittel-Längs-Achse 3 angeordnete
Achsbohrlöcher 31 in
Form eines Sacklochs mit Innengewinde auf.
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Im
folgenden wird die Montage und Funktionsweise der Wirbelstrombremsanordnung 1 beschrieben.
Die Welle 2 der Wirbelstrombremsanordnung 1 ist
mittels einer Schrauben-Gewinde-Verbindung mit Hilfe der Achsbohrlöcher 31 drehfest
an ein Trainingsgerät
befestigt. Der Anker 4 ist mittels der Ankerlager 12 drehbar
auf der Welle 2 angeordnet und wird durch einen nicht näher dargestellten
Antriebsriemen, der reibschlüssig
auf die profilierte Außenwand 16 des
Nabenabschnitts 9 des Ankerringträgers 8 wirkt, angetrieben.
Die dazu notwendige Kraft wird durch eine trainierende Person aufgebracht.
Die mittels der Scheibenlager 20 drehbar auf der Welle 2 gelagerte
Scheibe 5 ist durch eine Drehmomentmessvorrichtung drehbar
gegenüber
einem bezüglich
des Trainingsgeräts
feststehenden Bauteil der Wirbelstrombremsanordnung 1 oder
des Trainingsgeräts
abgestützt.
Als Drehmomentmessvorrichtung sind beispielsweise Dehnmessstreifen
oder ein an einem Bohrloch 30 befestigter Drehmomentmesshebel
möglich.
Beim Auftreten einer zeitlich veränderlichen Bremsleistung findet
eine geringfügige Drehung
der Scheibe 5 um die Welle 2 statt. Bei einer zeitlich
konstanten Bremsleistung befindet sich die Scheibe 5 in
einem Drehmomentgleichgewicht der vom Anker 4 und der Drehmomentmessvorrichtung resultierenden
Drehmomente und steht somit bezüglich
der Welle 2 fest.
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Zunächst wird
der Betrieb der Wirbelstrombremsanordnung 1 bei einer konstanten
Drehzahl des Ankers 4 und einer konstanten Bremsleistung beschrieben.
Die jeweils gewünschte
Bremsleistung der Wirbelstrombremsanordnung 1 kann während des
Betriebs des Trainingsgerätes
von der trainierenden Person oder mittels eines Softwareprogramms eingestellt
werden. Die Bremsleistung ist bei einer gegebenen konstanten Drehzahl
abhängig
von dem durch die Spulen 6 fließenden Erregerstrom. Der Erregerstrom
stellt einen Gleichstrom dar, der mittels Regel- und Stellvorrichtungen
eingestellt werden kann. Die vom Erregerstrom durchflossenen Spulen 6 erzeugen
mit Hilfe der Scheibe 5 ein Magnetfeld, das bei einer Drehung
des Ankers 4 um die Welle 2 im Ankerring 7 Wirbelströme induziert.
Diese Wirbelströme
rufen in Folge des Magnetfeldes ein Bremsmoment hervor, wobei die
kinetische Energie des Ankers 4 im Ankerring 7 in
Wärmeenergie
umgewandelt wird. Die Ausbildung des Ankerrings 7 aus Eisen führt aufgrund
der elektrischen Leitfähigkeit
des Eisens zu einer sehr guten Bremswirkung. Die im Ankerring 7 entstehende
Wärme kann
aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit
des Ankerringträgers 8 aus Aluminiumspritzguss
wirkungsvoll abgeführt
werden. Zusätzlich
sorgen die sich verjüngenden
Lüftungsöffnungen 17 für eine ausreichende
Belüftung
der Wirbelstrombremsanordnung 1, was die Bremswirkung weiter
verbessert. Die Regelung der Bremsleistung erfolgt mittels der Messwerte
der Drehmomentmessvorrichtung. Beim Betrieb des Trainingsgeräts mit einer
konstanten Bremsleistung ist die Scheibe 5 bezüglich ihrer
Ruhestellung geringfügig
um die Welle 2 gedreht, so dass ein Drehmomentgleichgewicht
zwischen den vom Anker 4 und der Drehmomentmessvorrichtung
resultierenden gegensätzlichen
Drehmomente entsteht. Das gemessene Drehmoment der Drehmomentmessvorrichtung
wird an die Regelvorrichtung weitergeleitet, die durch Einstellung
des Erregerstroms durch die Spulen 6 die Stärke des
Magnetfeldes und somit die Bremsleistung regelt.
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Bei
einer gewünschten
Erhöhung
der Bremsleistung der Wirbelstrombremsanordnung 1 wird
der Erregerstrom durch die Spulen 6 erhöht. Die trainierende Person
versucht die erhöhte
Bremsleistung durch erhöhte
Muskelkraft derart auszugleichen, dass die Drehzahl des Ankers 4 konstant
bleibt. Während
dieses Übergangsvorgangs
verändert
sich die Lage der Scheibe 5 relativ zu ihrer Ruhestellung
derart, dass sich bei erhöhter
Bremsleistung ein größerer Rotationswinkel
einstellt. Der vergrößerte Rotationswinkel
der Scheibe 5 wird von der Drehmomentmessvorrichtung in Form
eines größeren Drehmomentmesswertes
detektiert und an die Regelvorrichtung weitergeleitet. Die Wirbelstrombremsanordnung 1 stellt
somit eine berührungslos
wirkende elektrische Bremse dar, die kinetische Energie des Ankers 4 durch
Wirbelströme
in dem elektrisch leitfähigen Ankerring 7 in
Wärme umsetzt.
Die wirkungsvolle Wärmeabfuhr
mittels des Ankerringträgers 8 und
der Lüftungsöffnungen 17 führt zudem
zu einer verbesserten Bremswirkung.