DE102016108646B4

DE102016108646B4 - Elektrodynamische Bremse

Info

Publication number: DE102016108646B4
Application number: DE102016108646.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Holtmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2036-05-11
Also published as: DE102016108646A1

Abstract

Elektrodynamische Bremse (1) mit einer Magneteinrichtung zur Bereitstellung eines Magnetfeldes, die wenigstens zwei Polelemente (2) aufweist, und mit einer Induktionseinrichtung (3), die derart angeordnet ist, dass sie in einem Bremsmodus zumindest teilweise einem über die Polelemente (2) der Magneteinrichtung bereitgestellten Magnetfeld ausgesetzt und derart ausgebildet ist, dass in dieser in einem veränderlichen Magnetfeld elektrische Ströme induziert werden, wobei die Induktionseinrichtung (3) und die Polelemente (2) der Magneteinrichtung entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Induktionseinrichtung (3) eine Mehrzahl von zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten, voneinander beabstandeten Lochblechen (4) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer geringen magnetischen Permeabilität, umfasst, die derart angeordnet sind, dass ihre Löcher fluchten, wobei sich durch fluchtende Löcher jeweils wenigstens ein, insbesondere genau ein Stift (5) aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung derart ist, dass die Polelemente (2) entlang der vorgegebenen Bewegungsbahn in einem zumindest im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Induktionseinrichtung (3) bewegt werden oder umgekehrt, und die Form der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite (2a) der Polelemente (2) oder die Form der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite einer Polplatte (9) der Polelemente (2) derart ist, dass sich der Abstand zwischen einem Punkt an der Unterseite (2a) des Polelementes (2) oder der Unterseite der Polplatte (9) und der gegenüberliegenden Seite der Induktionseinrichtung (3) in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn ändert, wobei die Anordnung derart ist, dass die Polelemente (2) bewegbar sind und die Induktionseinrichtung (3) ruht und sich der Abstand in Richtung der Bewegungsbahn der Polelemente (2) in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Polelemente (2) vorne liegenden Bereich stärker ändert als in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Polelemente (2) hinten liegenden Bereich oder die Anordnung derart ist, dass die Polelemente (2) ruhen und die Induktionseinrichtung (3) bewegbar ist und sich der Abstand in Richtung der Bewegungsbahn der Induktionseinrichtung (3) in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Induktionseinrichtung (3) hinten liegenden Bereich stärker ändert als in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Induktionseinrichtung (3) vorne liegenden Bereich, wobei die Form der Unterseite (2a) der Polelemente (2) oder die Form der Unterseite einer Polplatte (11) der Polelemente (2) einer Freiformfläche entspricht, welche der Gleichung

y (x *) = f_{m a x} - f (x *) + δ_{m i n}

mit

f (x *) = [c_{1} f_{1} (x *) + c_{2} f_{2} (x *) + c_{3} f_{3} (x *)] b (x *)

f_{1} (x *) = e^{- {| \frac{4 x * - 2 b_{g s}^{*}}{1 - 2 b_{g s}^{*}} - 1 |}^{N_{G}}}

f_{2} (x *) = cos (2 π x * - \frac{1}{4})

f_{3} (x *) = x * - \frac{1}{4}

b (x *) = e^{- {| \frac{4 x * - 2 b_{g s}^{*}}{1 - 2 b_{g s}^{*}} - 1 |}^{200}}

x * = \frac{x}{τ} = 0 \dots 0,5

b_{g s}^{*} = \frac{b_{g s}}{τ}

folgt, wobei x die Ortskoordinate in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn, y der von x abhängige Abstand zwischen der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite (2a) des Polelementes (2) und der Induktionseinrichtung (3) in einer Richtung orthogonal zur x-Richtung, δ_min der minimale Abstand zwischen der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite (2a) des Polelementes (2) und der Induktionseinrichtung (3), f_max der Maximalwert von f(x), τ die Weite eines Paares von zwei nebeneinanderliegenden Polelementen (2) in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn und b_gs der Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden Polelementen (2) in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn und C₁, C₂, C₃ und N_g jeweils ein zu wählender Koeffizient ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Bremse mit einer Magneteinrichtung zur Bereitstellung eines Magnetfeldes, die wenigstens zwei Polelemente aufweist, und mit einer Induktionseinrichtung, die derart angeordnet ist, dass sie in einem Bremsmodus zumindest teilweise einem über die Polelemente der Magneteinrichtung bereitgestellten Magnetfeld ausgesetzt und derart ausgebildet ist, dass in dieser in einem veränderlichen Magnetfeld elektrische Ströme induziert werden, wobei die Induktionseinrichtung und die Polelemente der Magneteinrichtung entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind.
Wird ein Körper aus einem elektrisch leitfähigen Material durch ein in Bewegungsrichtung gradientenbehaftetes Magnetfeld bewegt oder umgekehrt, so wird in diesem bekanntermaßen ein elektrisches Feld induziert, welches Wirbelströme durch das Material treibt. Die auf diese Weise entstehende elektrische Leistung ist gleich der mechanisch zugeführten Leistung, woraus sich eine Bremskraft ableiten lässt.
Dieser Effekt wird für elektrodynamische Bremsen, wie etwa Wirbelstrombremsen, genutzt, die eine Magneteinrichtung mit Polelementen zur Bereitstellung des primären magnetischen Feldes sowie eine im Bremsmodus dem Magnetfeld ausgesetzte Induktionseinrichtung umfassen, die derart ausgebildet ist, dass in dieser in einem veränderlichen Magnetfeld elektrische Ströme induziert werden. Die Induktionseinrichtung wird in der Regel durch einen Vollkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet und der Körper und die Polelemente der Magneteinrichtung sind relativ zueinander bewegbar angeordnet.
Bei Vernachlässigung von Feldverdrängungseffekten, wie unter anderem den Skineffekt, gilt für die Bremskraft stark vereinfacht $F \sim 1^{3} B^{2} v σ .$
Dabei ist I die Ausdehnung eines als Induktionseinrichtung dienenden, aus vereinfachungsgründen würfelförmig angenommenen Körpers aus elektrisch leitfähigem Material in den drei Raumrichtungen, σ die elektrische Leitfähigkeit des Materials aus dem der Körper besteht, B die Flussdichte des primären Magnetfeldes im Material und v die Geschwindigkeit, mit welcher der Köper durch das Feld bewegt wird.
Aus der vorstehenden Gleichung kann man unmittelbar entnehmen, dass eine hohe Flussdichte B des primären Feldes anzustreben ist, da diesen quadratisch in die Bremskraft eingeht. Die primäre Flussdichte wird beispielsweise durch einen Permanent- oder Elektromagneten hervorgerufen, welcher sich zusammen mit dem durch das Magnetfeld bewegten Körper aus dem elektrisch leitfähigen Material in einem geschlossenen magnetischen Kreis befindet. Berücksichtigt man nur den Wiederstand beziehungsweise die Reluktanz des Materials, gilt für die primäre Flussdichte $B \sim 1 μ$
Dabei ist µ die magnetische Leitfähigkeit (auch magnetische Permeabilität), die hinsichtlich des primären Feldes möglichst hoch zu wählen ist.
Es besteht jedoch die Problematik, dass eine hohe magnetische Permeabilität die in der vorstehenden Gleichung für die Bremskraft vernachlässigte Feldverdrängung, die in erster Näherung durch den „Skineffekt“ beschrieben werden kann, begünstigt. Durch den „Skineffekt“ ist das aktive Materialvolumen nicht mehr proportional zu dem Gesamtvolumen 13, wie in der vorstehenden Gleichung, sondern zu l²δ, wobei δ die Eindringtiefe des Feldes darstellt, für welche gilt: $σ \sim \sqrt{(\frac{1}{v μ σ})}$
Aufgrund dieses Effektes wird die Leistungsdichte einer Wirbelstrombremse stark begrenzt, da das aktive Materialvolumen, wie sich aus der Gleichung ergibt, mit zunehmender magnetischer Permeabilität abnimmt. Die magnetische Permeabilität ist demnach theoretisch so zu wählen, dass einerseits die primäre Flussdichte möglichst groß ausfällt und andererseits die auftretende Feldverdrängung durch den Skineffekt klein gehalten wird. Die Permeabilität hängt jedoch vom gewählten Material ab, was wiederum eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit σ aufweist, welche nach der vorstehenden Gleichung für die Bremskraft jedoch grundsätzlich einen hohen Wert besitzen sollte.
Der störende Skineffekt tritt immer dann besonders ausgeprägt auf, wenn das zum Einsatz kommende elektrisch leitfähig Material der Induktionseinrichtung sowohl eine hohe magnetische Permeabilität als auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, was bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wirbelstrombremsen im Allgemeinen der Fall ist.
Ein weiteres Problem bei den bekannten Wirbelstrombremsen besteht darin, dass diese in der Regel eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte besitzen, womit auch eine vergleichsweise große Wärmeerzeugung in dem als Induktionseinrichtung dienenden Körper aus elektrisch leitfähigem Material einhergeht. Die unmittelbar in dem Material, in welchem die Wirbelströme induziert werden anfallende Wärme ist über die äußeren Flächen des Körpers abzuführen. Die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Flächen fallen damit vergleichsweise klein aus und es besteht die Gefahr der Überhitzung.
Infolge des Skineffektes besteht weiterhin die Problematik, dass die gesamte Wärme in einer vergleichsweise dünnen Schicht in dem Körper und zwar innerhalb der Skintiefe δ anfällt. Hiermit sind starke Temperaturgradienten verbunden, die eine Rissbildung zur Folge haben können.
Die DE 101 22 985 A1 schlägt vor, Entlastungsnuten an einer Stirnseite des Körpers, in welchem die Wirbelströme für die Bremswirkung induziert werden, vorzusehen, um die vorstehende genannte Problematik von thermische Spannungsrisse zu vermeiden. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, von einem Kühlmedium zu durchströmende Kühlkanäle in den Körper einzubringen, damit die im Material auftretende Wärme an das Kühlmedium abgegeben werden kann.
Aus der US 6 900 569 B2 ist ferner bekannt, eine Kupferschicht auf den Vollkörper aus elektrisch leitfähigem Material, in welchem die Wirbelströme induziert werden, aufzubringen, wodurch die Bremswirkung bis zu einem gewissen Grad gesteigert werden kann.
Die DE 950 939 B offenbart eine elektrodynamische Bremse mit einer Magneteinrichtung zur Bereitstellung eines Magnetfeldes, die wenigstens zwei Polelemente aufweist, sowie eine Induktionseinrichtung. Die Induktionseinrichtung ist derart angeordnet, dass sie in einem Bremsmodus einem über die Polelemente der Magneteinrichtung bereitgestellten Magnetfeld ausgesetzt ist. Sie ist ferner derart ausgebildet, dass in dieser in einem veränderlichen Magnetfeld elektrische Ströme induziert werden. Die Induktionseinrichtung und die Polelemente der Magneteinrichtung sind entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar. Die Induktionseinrichtung umfasst eine Mehrzahl von zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten, voneinander beabstandeten Scheiben aus Kupfer mit Löchern, die derart angeordnet sind, dass ihre Löcher fluchten. Durch fluchtende Löcher erstreckt sich jeweils ein Stab aus Eisen. Durch die Stäbe schließt sich der Magnetfluss, während die Wirbelströme hauptsächlich in den von den Stäben durchdrungenen Scheiben entstehen.
Die aus dem Stand der Technik vorbekannten elektrodynamischen Bremsen haben sich prinzipiell bewährt. Es besteht jedoch Bedarf an weiter verbesserten Vorrichtungen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrodynamische Bremse bereitzustellen, welche die vorstehenden Nachteile einer aufgrund des Skineffektes reduzierten Leistungsdichte sowie das Auftreten starker Temperaturgradienten und die damit einhergehende Rissbildung, vermeidet.
Dies wird gelöst durch eine elektrodynamischen Bremse nach Anspruch 1.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, in einer elektrodynamischen Bremse eine Induktionseinrichtung zu verwenden, welche sich sowohl durch eine hohe Permeabilität als auch durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnet, wobei jedoch diese beiden Eigenschaften aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Induktionseinrichtung räumlich getrennt voneinander vorliegen. Die erfindungsgemäß verwendete Induktionseinrichtung umfasst eine Struktur aus mehreren, sich zumindest im Wesentlichen parallel zueinander erstreckenden Lochblechen mit fluchtenden Löchern, durch welche sich Stifte, insbesondere aus Metall erstrecken.
Während die Stifte aus einem Material bestehen, welches sich durch eine hohe magnetische Permeabilität auszeichnet, wird für die Lochbleche, durch deren Löcher die Stifte ragen, gezielt ein Material gewählt, welches zwar elektrisch leitfähig jedoch magnetisch isolierend ist, also eine geringe magnetische Permeabilität aufweist. Mittels der Stifte wird das mit der Magneteinrichtung bereitgestellte primäre Magnetfeld durch die magnetisch isolierenden Lochbleche der Induktionseinrichtung geleitet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Induktionseinrichtung wird erreicht, dass ein primäres Magnetfeld ein elektrisch leitfähiges Material durchdringt ohne dass eine hohe magnetische Permeabilität und eine hohe elektrische Leitfähigkeit punktuell gemeinsam vorliegen. Der Skineffekt, welcher besonders ausgeprägt auftritt, wenn ein Vollkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material mit hoher magnetischer Permeabilität als Induktionseinrichtung Verwendung findet, wird bei der erfindungsgemäßen elektrodynamischen Bremse zuverlässig unterdrückt und die mit diesem Effekt verbundene Leistungsreduzierung wird vermieden. Die Wärme fällt im gesamten in Form der Lochbleche zur Verfügung stehenden Material an.
Ein weiterer erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Bremse besteht darin, dass das Material, in welchem die Ströme induziert werden und somit die Wärme generiert wird, in mehrere Materialschichten aufgeteilt ist. Die freie Oberfläche der zum Einsatz kommenden Lochbleche ist gegenüber einem Vollkörper als Induktionseinrichtung um ein Vielfaches erhöht. Somit kann die während eines Bremsvorganges in den Lochblechen anfallende Wärme besonders effizient nach Außen, beispielsweise an die Umgebungsluft oder an eine die Lochbleche zu diesem Zweck umströmende Kühlflüssigkeit, abgegeben werden.
Da bei der erfindungsgemäßen Bremse die elektromagnetische Energiewandlung nicht in einem homogenen Material stattfindet, in dem die elektrischen Ströme an denjenigen Orten auftreten, an denen auch das primäre Magnetfeld vorliegt, handelt es sich bei dieser nicht um eine Wirbelstrombremse.
Dabei sind unter Materialien mit einer geringen magnetischen Permeabilität für die Lochbleche der erfindungsgemäßen Induktionseinrichtung insbesondere solche zu verstehen, für die gilt µ < µ₀ = 4*π*10^-7 N/A² und unter Materialien mit einer hohen magnetischen Permeabilität für die Stifte insbesondere solche, für die gilt µ > 10*µ₀.
Ein besonders geeignetes Material mit hoher magnetsicher Permeabilität für die Stifte ist beispielsweise Stahl. Eisen könnte ebenfalls Verwendung finden. Die elektrisch leitfähigen Lochbleche mit geringer magnetischer Permeabilität können in vorteilhafter Ausgestaltung aus Kupfer bestehen.
Weitere Beispiele für Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität für die Stifte sind gegeben durch sämtliche Stähle, für die gilt µ > 10*µ₀. Weitere beispielhafte Materialien für elektrisch leitfähige jedoch magnetisch isolierende Materialien für die Lochbleche sind gegeben durch sämtliche Kupfer- oder Aluminiumlegierungen.
Bei den Stiften handelt es sich in vorteilhafter Ausgestaltung um zylinderförmige längliche Vollkörper. Die Stifte können in den Löchern der Lochbleche form- und insbesondere kraftschlüssig sitzen. Bevorzugt werden die Lochbleche durch die kraftschlüssig in deren fluchtenden Löchern sitzende Stifte beabstandet zueinander gehalten.
Die Anordnung kann bei der erfindungsgemäßen Bremse beispielsweise derart getroffen sein, dass die Induktionseinrichtung und die Poleelemente der Magneteinrichtung entlang einer kreisförmigen oder einer linearen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind. Dabei sind die Polelemente und/oder die Induktionseinrichtung zweckmäßiger Weise derart bewegbar angeordnet, dass sie in einem vorgegebenen, entlang der Bewegungsbahn insbesondere konstanten Abstand zueinander bewegt werden. Der Abstand kann beispielsweise einige Millimeter betragen.
Völlig analog zu den vorbekannten elektrodynamischen Bremsen können bei der erfindungsgemäßen Bremse für denjenigen Fall, dass die Polelemente bewegbar sind und die Induktionseinrichtung ruht, die Polelemente mit einer beliebigen zu bremsenden Komponente verbunden sein bzw. für den Fall, dass die Induktionseinrichtung bewegbar angeordnet ist und die Polelemente ruhen, kann die Induktionseinrichtung mit einer beliebigen zu bremsenden Komponente verbunden sein. Ist die Anordnung dabei beispielsweise derart, dass Polelemente und Induktionseinrichtung entlang einer linearen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind, kann die zu bremsende Komponente in einer linearen Bewegungsrichtung gebremst werden. Für den Fall einer kreisförmigen Bewegungsbahn kann in analoger Weise eine Rotationsbewegung gebremst werden. Ebenfalls analog zu den bekannten elektrodynamischen Bremsen ist der Bremseffekt darauf zurückzuführen, dass in der Induktionseinrichtung elektrische Ströme induziert werden, wenn die Polelemente und die Induktionseinrichtung relativ zueinander bewegt werden, während die Induktionseinrichtung einem über die Polelemente bereitgestellten Magnetfeld ausgesetzt ist. Bei der erfindungsgemäßen Bremse werden die elektrischen Ströme in den Lochblechen der Induktionseinrichtung induziert. Die erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse bietet - genau wie die vorbekannten Bremsen - den großen Vorteil, dass sie praktisch verschleißfrei ist.
Wird das Magnetfeld durch die Magneteinrichtung mithilfe eines oder mehrerer Elektromagneten, insbesondere elektrischer Erregerspulen, bereitgestellt, kann die Bremswirkung auf einfache Weise ausgeschaltet werden, indem die Elektromagneten durch eine Unterbrechung der Stromzufuhr deaktiviert werden. Kommen Permanentmagneten zum Einsatz, kann vorgesehen sein, dass die Lage der Polelemente derart veränderbar ist, dass das von der Magneteinrichtung bereitgestellte Magnetfeld von der Induktionseinrichtung weggerichtet werden kann, sodass keine Induktion elektrischer Ströme in der Induktionseinrichtung stattfindet und somit kein Bremseffekt auftritt. Natürlich ist es auch möglich, dass sowohl Permanentmagneten als auch Elektromagneten vorgesehen sind.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrodynamische Bremse zeichnet sich dadurch aus, dass die Polelemente der Magneteinrichtung entlang der vorgegebenen Bewegungsbahn nebeneinanderliegend angeordnet sind. Es kann weiterhin vorgesehen, dass wenigstens ein Polelement als magnetischer Nordpol und wenigstens ein Polelement als magnetischer Südpol dient, bevorzugt dienen jeweils mehrere Polelemente als magnetische Nordpole und mehrere Polelemente als magnetische Südpole, die insbesondere in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn alternierend angeordnet sind. Beispielsweise können die Polelemente entlang einer linearen oder kreisförmigen Bewegungsbahn hinter- bzw. nebeneinander liegen, wobei jeweils nach einem als magnetischer Nordpol dienenden Polelement ein als magnetischer Südpol dienendes kommt und so weiter.
Alternativ dazu, dass als Nord- und als Südpol dienende Polelemente alternieren, kann auch vorgesehen sein, dass nur gleichpolige Polelemente zum Einsatz kommen, beispielsweise nur als magnetische Nordpole dienende Polelemente, die entlang der vorgegebenen Bewegungsbahn nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Weiterhin kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Anordnung derart getroffen ist, dass der magnetische Fluss ausgehend von sämtlichen Polelementen sämtliche Stifte in gleicher Richtung durchdringt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Magneteinrichtung wenigstens eine elektrische Erregerspule umfasst und insbesondere die Polelemente Teil eines magnetischen Kreises sind, der mit der wenigstens einen elektrischen Erregerspule verkettet ist und/oder die Magneteinrichtung wenigstens einen Permanentmagneten umfasst und insbesondere die Polelemente Teil eines magnetischen Kreises sind, der mit dem wenigstens einen Permanentmagneten verkettet ist.
Bei den Polelementen der erfindungsgemäßen Magneteinrichtung kann es sich um separate Komponenten, beispielsweise Polplatten handeln, die mittels eines Permanent- oder auch Elektromagnete magnetisiert werden. Die Polplatten können beispielsweise aus Stahl bestehen, bevorzugt aus einem Stahl, für den gilt µ > 10*µ₀. Um als magnetischer Nordpol oder als magnetischer Südpol zu dienen, können die Polplatten beispielsweise mit derjenigen Seite eines Permanentmagneten in Kontakt stehen, an welcher der entsprechende magnetische Pol liegt. Auch können die Polelemente mit einer Stirnseite einer um einen Kern gewickelten Spule in Kontakt stehen, wobei die Stromrichtung durch die Spule dann derart zu wählen ist, dass die jeweilige Polplatte als gewünschter magnetischer Pol dient.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Polelemente der Magneteinrichtung durch die die magnetischen Pole bildenden Endbereiche eines oder mehrerer Permanentmagneten gegeben sind.
In Zweckmäßiger Ausgestaltung ist ferner ein Eisenrückschluss vorgesehen, der bevorzugt aus einem weichmagnetischen Komposit oder aus einem keramischen Ferrit gefertigt ist. Diese Materialien haben sich als besonders geeignet erwiesen.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bremse ist vorgesehen, dass die Stirnseiten der Stifte zu der Ober- und der Unterseite der Induktionseinrichtung weisen, wobei Polelemente der Magneteinrichtung insbesondere ausschließlich der Oberseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegend angeordnet sind und der Eisenrückschluss der Unterseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegend angeordnet ist, und wobei der Eisenrückschluss insbesondere an der Unterseite der Induktionseinrichtung unmittelbar anliegt. Die Anordnung kann dann beispielsweise derart sein, dass der Oberseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegend sowohl als magnetische Nordpole als auch als magnetische Südpole dienende Polelemente angeordnet sind, die entlang der Bewegungsbahn alternieren. Die Anordnung ist dann insbesondere derart, dass das von der Magneteinrichtung bereitgestellte primäre Magnetfeld ausgehend von einem der Oberseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegenden als Nordpol dienenden Polelement durch die Induktionseinrichtung, zu dem an der Unterseite der Induktionseinrichtung angeordneten Eisenrückschluss, aus dem Eisenrückschluss zurück in die Induktionseinrichtung und aus dieser zu demjenigen als magnetischer Südpol dienenden Polelement geleitet wird, welches unmittelbar neben dem als Nordpol dienenden Polelement liegt. Diese beispielshaft für ein Paar benachbarter, gegenpoliger Polelemente beschriebene Magnetfeldleitung gilt für sämtliche Polelemente.
Alternativ ist die Anordnung derart, dass sämtliche der Oberseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegend angeordneten Polelemente als magnetische Nordpole dienen. In diesem Falle ist die Anordnung insbesondere derart, dass das von der Magneteinrichtung bereitgestellte primäre Magnetfeld ausgehend von einem der Oberseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegenden als Nordpol dienenden Polelement durch die Induktionseinrichtung, zu dem an der Unterseite der Induktionseinrichtung angeordneten Eisenrückschluss und aus dem Eisenrückschluss durch ein Magnetschlusselement zu den Südpolen der Spulen oder Permanentmagneten, mittels derer die Polelemente als geschaltete sind, zurückgeführt wird.
Es versteht sich dabei, dass magnetische Pole nicht in isolierter Form vorkommen und dann insbesondere zu jedem als magnetischer Nordpol dienenden Polelement ein magnetischer Südpol existiert. Sind die Polelemente beispielsweise als magnetische Nordpole geschaltet, indem der magnetische Nordpol eines Permanentmagneten oder diejenige Stirnseite einer Spule, welche deren magnetischen Nordpol bildet, an diesen anliegt, liegt auf der von den Polelementen abgewandten Seite des Permanentmagneten bzw. der Spule jeweils ein magnetischer Südpol.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stirnseiten der Stifte zu der Ober- und zu der Unterseite der Induktionseinrichtung weisen und sowohl der Ober- als auch der Unterseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegend Polelemente der Magneteinrichtung angeordnet sind, wobei die Anordnung insbesondere derart ist, dass einem als magnetischer Nordpol dienenden Polelement an der Oberseite der Induktionseinrichtung ein als magnetischer Südpol dienendes Polelement an der Unterseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegt. Die Anordnung ist dann insbesondere derart, dass das von der Magneteinrichtung bereitgestellte primäre Magnetfeld ausgehend von einem der Oberseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegenden als Nordpol dienenden Polelement durch die Induktionseinrichtung, zu dem an der Unterseite der Induktionseinrichtung dem als Nordpol dienenden Polelement gegenüberliegend angeordneten als Südpol dienenden Polelement geleitet wird und von einem an der Unterseite der Induktionseinrichtung neben dem als Südpol dienenden Polelement angeordneten als Nordpol dienenden Polelement in die Induktionseinrichtung und zu dem an der Oberseite gegenüberliegenden als Südpol dienenden Polelement geleitet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Eisenrückschluss durch ein schneckenförmig aufgewickeltes Elektrostahlband gebildet. Die hat sich als besonders geeignet erwiesen, wenn bei der erfindungsgemäßen elektrodynamischen Bremse die Anordnung derart getroffen ist, dass die Induktionseinrichtung und die Poleelemente der Magneteinrichtung entlang einer kreisförmigen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind.
Dann kann sich weiterhin die Induktionseinrichtung durch eine Außenkontur in Form einer Scheibe mit einem Loch in der Mitte auszeichnen, und sich durch das Loch eine drehbar gelagerte Welle erstrecken, an der eine koaxiale scheibenförmige Trägerplatte befestigt ist, an deren der Induktionseinrichtung zugewandten Stirnseite in Umfangsrichtung nebeneinanderliegend Polelemente der Magneteinrichtung angeordnet sind. Der Außenumfang der Induktionseinrichtung und der Außenumfang der Trägerplatte sind dann vorteilhafter Weise zumindest in etwa gleich groß.
In Weiterbildung ist dann auf der von der Trägerplatte abgewandten Seite der Induktionseinrichtung ein scheibenförmiger Eisenrückschluss mit einem Loch in der Mitte vorgesehen, durch welches sich die Welle erstreckt. Der scheibenförmige Eisenrückschluss wird dabei in besonders vorteilhafter Ausgestaltung durch ein schneckenförmig aufgewickeltes Elektrostahlband gebildet.
Alternativ zu dem scheibenförmigen Eisenrückschluss kann auf der von der Trägerplatte abgewandten Seite der Induktionseinrichtung auch eine weitere an der Welle befestigte koaxiale scheibenförmige Trägerplatte vorgesehen sein, an deren der Induktionseinrichtung zugewandten Stirnseite in Umfangsrichtung nebeneinanderliegend Polelemente der Magneteinrichtung angeordnet sind. Ist eine weitere, der anderen Stirnseite der Induktionseinrichtung gegenüberliegende Trägerplatte vorgesehen, sind insbesondere auch der Außenumfang der Induktionseinrichtung und der Außenumfang der weiteren Trägerplatte zumindest in etwa gleich groß.
Die Magneteinrichtung umfasst in vorteilhafter Ausgestaltung ferner eine elektrische Erregerspule, welche die drehbar gelagerte Welle umgibt.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass sämtliche an einer Trägerplatte angeordneten Polelemente als gleicher magnetischer Pol dienen. Beispielsweise können sämtliche an der Trägerplatte angeordneten Polelemente als magnetischer Nordpol dienen und sämtliche an der weiteren Trägerplatte angeordneten Polelemente als magnetische Südpole.
Jedes Polelement kann ferner eine der Induktionseinrichtung zugewandte im Wesentlichen tortenstückförmige Polplatte und einen der Trägerplatte zugewandten Permanentmagneten oder eine der Trägerplatte zugewandte um einen Kern gewickelte Spule umfassen. Der Permanentmagnet ist dann derart ausgerichtet, bzw. die Spule wird derart von Strom durchflossen, dass das Polelement als magnetischer Pol gewünschter Orientierung dient.
Erfindungsgemäß ist die Anordnung derart, dass die Poleelemente entlang der vorgegebenen Bewegungsbahn in einem zumindest im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Induktionseinrichtung bewegt werden oder umgekehrt.
Die Form der der Induktionseinrichtung zugewandten Unterseite der Polelemente oder die Form der der Induktionseinrichtung zugewandten Unterseite einer Polplatte der Polelemente ist weiterhin derart, dass sich der Abstand zwischen einem Punkt an der Unterseite des Polelementes oder der Unterseite der Polplatte und der gegenüberliegenden Seite der Induktionseinrichtung in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn ändert. Der Abstand nimmt bevorzugt von einem Ende des Polelementes aus gesehen zunächst bis zu einem Tiefpunkt ab und von dem Tiefpunkt bis zu dem anderen Ende des Polelementes wieder zu.
Dabei ist die Anordnung in bevorzugter Ausgestaltung derart, dass die Polelemente bewegbar sind und die Induktionseinrichtung ruht und sich der Abstand in Richtung der Bewegungsbahn der Polelemente in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Polelemente vorne liegenden Bereich stärker ändert als in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Polelemente hinten liegenden Bereich.
Alternativ kann die Anordnung derart sein, dass die Polelemente ruhen und die Induktionseinrichtung bewegbar ist, wobei sich der Abstand dann in Richtung der Bewegungsbahn der Induktionseinrichtung in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Induktionseinrichtung hinten liegenden Bereich stärker ändert als in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Induktionseinrichtung vorne liegenden Bereich.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die Form der Unterseite der Polelemente oder die Form der Unterseite einer Polplatte der Polelemente einer Freiformfläche entspricht, welche der Gleichung $y (x *) = f_{m a x} - f (x *) + δ_{m i n}$
mit $f (x *) = [c_{1} f_{1} (x *) + c_{2} f_{2} (x *) + c_{3} f_{3} (x *)] b (x *)$
$f_{1} (x *) = e^{- {| \frac{4 x * - 2 b_{g s}^{*}}{1 - 2 b_{g s}^{*}} - 1 |}^{N_{G}}}$
$f_{2} (x *) = cos (2 π x * - \frac{1}{4})$
$f_{3} (x *) = x * - \frac{1}{4}$
$b (x *) = e^{- {| \frac{4 x * - 2 b_{g s}^{*}}{1 - 2 b_{g s}^{*}} - 1 |}^{200}}$
$x * = \frac{x}{τ} = 0 \dots 0,5$
$b_{g s}^{*} = \frac{b_{g s}}{τ}$
folgt. Dabei ist x die Ortskoordinate in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn, y der von x abhängige Abstand zwischen der der Induktionseinrichtung zugewandten Unterseite des Polelementes und der Induktionseinrichtung in einer Richtung orthogonal zu der x-Richtung, δ_min der minimale Abstand zwischen der der Induktionseinrichtung zugewandten Unterseite des Polelementes und der Induktionseinrichtung, f_max der Maximalwert von f(x), τ die Weite eines Paares von zwei nebeneinanderliegenden Polelementen in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn und bgs der Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden Polelementen in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn.
Die Koeffizienten C₁ , C₂ , C₃ und N_g werden so gewählt, dass sich eine maximale Leistungsdichte ergibt.
Diese Form der Unterseite der Polelemente der Magneteinrichtung hat sich als besonders geeignet erwiesen, um ein Magnetfeld mit einem Gradienten in Bewegungsrichtung bereitzustellen, das hinsichtlich der Leistungsdichte der Bremse optimiert ist.
Der Abstand zwischen einem Punkt an der Unterseite eines Polelementes und der gegenüberliegenden Seite der Induktionseinrichtung kann in einer Richtung quer zu der vorgegebenen Bewegungsbahn konstant sein.
Schließlich zeichnet sich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremse dadurch aus, dass Mittel vorgesehen sind, um ein Kühlfluid in die zwischen den beabstandeten Lochblechen liegenden Zwischenräume zu leiten.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Induktionseinrichtung ein Gehäuse, welches die Anordnung aus Lochblechen und sich durch die Löcher erstreckenden Stiften umgibt, wobei in dem Gehäuse zweckmäßiger Weise wenigstens eine Öffnung vorgesehen ist, durch welche ein insbesondere flüssiges Kühlmedium in das Gehäuse ein- und aus diesem herausgeleitet werden kann. Das Gehäuse kann die Anordnung aus Lochblechen und Stiften passgenau umgreifen.
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher veranschaulicht. Es zeigen:

1 eine erste erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse mit linearer Bewegungsbahn in perspektivischer Ansicht,
2 einen Schnitt durch die in 1 dargestellte Bremse,
3 eine zweite erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse mit kreisförmiger Bewegungsbahn in perspektivischer Ansicht,
4 einen Schnitt durch die in 3 dargestellte Bremse,
5a ein Polelement mit Spule für eine erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse mit kreisförmiger Bewegungsbahn in perspektivischer Darstellung von schräg oben,
5b das Polelement aus 5a von schräg unten,
6a ein Polelement mit Permanentmagnet einer erfindungsgemäßen elektrodynamische Bremse mit kreisförmiger Bewegungsbahn in perspektivischer Darstellung von schräg oben,
6b das Polelement aus 6a von schräg unten,
7 eine Aufsicht auf ein Lochblech einer erfindungsgemäßen elektrodynamische Bremse mit kreisförmiger Bewegungsbahn,
8 ein Eisenrückschluss einer erfindungsgemäßen elektrodynamische Bremse mit kreisförmiger Bewegungsbahn in perspektivischer Ansicht,
9 eine weitere perspektivische Ansicht der Bremse aus 3,
10 eine schematische Darstellung zu der Bremse aus den 3 und 9 mit Pfeilen zur Veranschaulichung der Magnetfeldleitung,
11 eine dritte erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse mit kreisförmiger Bewegungsbahn in perspektivischer Ansicht,
12 eine schematische Darstellung zu der Bremse aus 11 mit Pfeilen zur Veranschaulichung der Magnetfeldleitung,
13 eine vierte erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse mit kreisförmiger Bewegungsbahn in perspektivischer Ansicht,
14 eine schematische Darstellung zu der Bremse aus 13 mit Pfeilen zur Veranschaulichung der Magnetfeldleitung,
15 einen Schnitt durch die Bremse aus 13 in vereinfachter Darstellung mit Pfeilen zur Veranschaulichung der Magnetfeldleitung,
16 eine fünfte erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse mit kreisförmiger Bewegungsbahn in perspektivischer Ansicht,
17 eine schematische Darstellung zu der Bremse aus 16 mit Pfeilen zur Veranschaulichung der Magnetfeldleitung,
18 einen Schnitt durch die Bremse aus 16 in vereinfachter Darstellung mit Pfeilen zur Veranschaulichung der Magnetfeldleitung,
19 eine schematische Darstellung eines durch eine primäres Magnetfeld bewegten Körpers aus einem elektrisch leitfähigen Material,
20 ein schematisches Schaltbild mit vier Widerständen zur Veranschaulichung eines Wirbelstrompfades,
21 eine schematische Darstellung zu der durch den Skin-Effekt reduzierten Wirbelstromstärke in dem in 17 dargestellten Körper,
22 einen Graphen, in dem die Bremskraft über der Geschwindigkeit für den Fall mit und ohne Skin-Effekt aufgetragen ist, und
23 einen Graphen, in dem die maximale Temperatur in einem Lochblech der Induktionseinrichtung einer erfindungsgemäßer elektrodynamischen Bremse gegen die Anzahl vorhandenen Lochbleche und den Blechfüllfaktor aufgetragen ist.

Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrodynamischen Bremse 1 in schematischer perspektivischer Ansicht. Die Bremse 1 umfasst eine Magneteinrichtung zur Bereitstellung eines primären Magnetfeldes, die zwei Polelemente 2 aufweist. In der rein schematischen Darstellung gemäß 1 sind von der Magneteinrichtung nur die beiden Polelemente 2, welche bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Polplatten aus Stahl gebildet werden, abschnittsweise dargestellt.
Die erfindungsgemäße Bremse 1 umfasst weiterhin eine Induktionseinrichtung 3, die derart ausgebildet ist, dass in dieser in einem veränderlichen Magnetfeld elektrische Ströme induziert werden. Die Induktionseinrichtung 3 weist eine Mehrzahl von Lochblechen 4 auf, die aus Kupfer bestehen. Die Lochbleche 4 sind beabstandet voneinander sowie zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Jedes der insgesamt fünf Lochbleche 4 zeichnet sich durch ein regelmäßiges Lochmuster aus. Wie in 1 erkennbar, sind die Lochbleche 4 derart übereinanderliegend angeordnet, dass ihre Löcher jeweils fluchten. Durch jeweils fünf fluchtende Löcher der fünf übereinanderliegenden Lochbleche 4 erstreckt sich ein zylinderförmiger, länglicher Stift 5 aus Stahl, für welchen gilt µ > 10*µ₀. Die Stifte 5 erstrecken sich orthogonal zu den Lochblechen 4 durch diese.
Der Außendurchmesser der Stifte 5 und die Innendurchmesser der fluchtenden Löcher der Lochbleche 4 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Stifte 5 kraftschlüssig in den Löchern der Lochbleche 4 sitzen und die Lochbleche 4 durch die Stifte 5 getragen werden.
Es sei angemerkt, dass von der die Lochbleche 4 und die Stifte 5 umfassenden Induktionseinrichtung 3 in der 1 nur ein sich periodisch wiederholender Abschnitt gezeigt ist. Tatsächlich erstrecken sich die Lochbleche 4 in der 1 nach rechts und links weiter und es sind weitere Stifte 5 vorgesehen, die sich durch fluchtende Löcher der Lochbleche 4 in den nicht dargestellten Bereichen erstrecken. In der 1 ist dies dadurch angedeutet, dass die an den in der 1 nach rechts und nach links weisenden Ende der Induktionseinrichtung 3 vorgesehenen Stifte 5 nur hälftig dargestellt sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ausdehnung der Lochbleche in Richtung des Pfeiles P in etwa doppelt so groß wie die Weite τ des Paares benachbarter Polelemente 2 (vgl. 2). Andere Dimensionierungen sind selbstverständlich ebenfalls möglich. Auch können alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel noch weitere Paare von Polelementen 2 vorgesehen sein, wobei dass zweckmäßiger Weise die Ausdehnung der Lochbleche in Richtung des Pfeils P immer größer ist als die Gesamtweite τ_ges aller Polelemente.
Die Poleelemente 2 der Magneteinrichtung sind derart angeordnet und ausgerichtet, dass die Induktionseinrichtung 3 einem über diese bereitgestellten primären Magnetfeld ausgesetzt ist. Konkret sind die Polelemente 2 oberhalb der Induktionseinrichtung 3 und - wie in der Schnittdarstellung in 2 gut erkennbar - in einem vorgegebenen Abstand δ_min zu deren Oberseite angeordnet.
Die Anordnung ist ferner derart, dass die Poleelemente 2 der Magneteinrichtung entlang einer vorgegebenen linearen Bewegungsbahn relativ zu der Induktionseinrichtung 3 bewegbar sind. Dies ist in der 1 durch den Pfeil P angedeutet. Die vorgegebene lineare Bewegungsbahn ist zumindest im Wesentlichen parallel zu den Lochblechen 4 der Induktionseinrichtung 3 orientiert. Die Stifte 5 sind somit quer zu der vorgegebenen linearen Bewegungsbahn orientiert.
Die linear bewegbaren Polelemente 2 sind mit einer in der 1 nicht dargestellten, in einer linearen Bewegungsrichtung zu bremsenden Komponente verbunden.
Alternativ dazu, dass die Polelemente 2 bewegbar sind und die Induktionseinrichtung 3 ruht, kann die Konfiguration auch umgekehrt sein. Prinzipiell ist es auch möglich, dass sowohl die Polelemente 2 als auch die Induktionseinrichtung 3 und zwar in entgegengesetzter Richtung relativ zueinander bewegbar sind.
Von den beiden Polelementen 2 dient das in den 1 und 2 rechts liegende als magnetischer Nordpol und das in den 1 und 2 links liegende als magnetischer Südpol. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind hierzu in den Figuren nicht dargestellte elektrische Erregerspulen der Magneteinrichtung oberhalb der Polelemente 2 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich können auch Permanentmagnete vorgesehen sein.
Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Magneteinrichtung auch mehr als zwei Polelemente 2 umfassen, die dann insbesondere links und rechts von den in der 1 dargestellten beiden Polelementen 2 angeordnet sind, insbesondere derart, dass „Nord- und Südpole“ entlang der vorgegeben Bewegungsrichtung alternieren.
Wie die Orientierung des Pfeils P zeigt, ist die Anordnung ferner derart getroffen, dass die Poleelemente 2 in einem konstanten Abstand zu der Induktionseinrichtung 3 entlang der vorgegebenen linearen Bewegungsbahn bewegbar sind.
Die beiden Poleelemente 2 sind darüber hinaus an ihrer der Induktionseinrichtung 3 zugewandten Unterseite 2a derart geformt, dass sich der Abstand y zwischen einem Punkt an der Unterseite 2a eines Polelementes 2 und der gegenüberliegenden Oberseite der Induktionseinrichtung 3 in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn ändert. Konkret wird der Abstand y bei jedem der beiden Polelemente 2 von dem in der Schnittdarstellung 2 rechts weisenden Ende des jeweiligen Polelementes 2 aus gesehen zunächst bis zu einem Tiefpunkt 2b kleiner und dann von dem Tiefpunkt 2b gesehen bis zu dem in der 2 jeweils nach links weisenden Ende des Polelementes 2 wieder größer. Dabei ändert sich der Abstand y zwischen einem Punkt an der Unterseite der Polelemente 2 und der Oberseite der Induktionseinrichtung 3 in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Polelemente 2 vorne liegenden, also in den in 2 nach rechts weisenden Bereich stärker als in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Polelemente 2 hinten liegenden und somit in 2 nach links weisenden Bereich. Konkret entspricht die Form der Unterseite 2a der Polelemente 2 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Richtung der Bewegungsbahn einer Freiformfläche, die der Gleichung $y (x *) = f_{m a x} - f (x *) + δ_{m i n}$
mit $f (x *) = [c_{1} f_{1} (x *) + c_{2} f_{2} (x *) + c_{3} f_{3} (x *)] b (x *)$
$f_{1} (x *) = e^{- {| \frac{4 x * - 2 b_{g s}^{*}}{1 - 2 b_{g s}^{*}} - 1 |}^{N_{G}}}$
$f_{2} (x *) = cos (2 π x * - \frac{1}{4})$
$f_{3} (x *) = x * - \frac{1}{4}$
$b (x *) = e^{- {| \frac{4 x * - 2 b_{g s}^{*}}{1 - 2 b_{g s}^{*}} - 1 |}^{200}}$
$x * = \frac{x}{τ} = 0 \dots 0,5$
$b_{g s}^{*} = \frac{b_{g s}}{τ}$
folgt. Dabei ist x die Ortskoordinate in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn (in den 1 und 2 in Richtung des Pfeils P), y der von x abhängige Abstand zwischen der der Induktionseinrichtung 3 zugewandten Unterseite 2a des Polelementes 2 und der Induktionseinrichtung 3 in einer Richtung orthogonal zu der x-Richtung, δ_min der minimale Abstand zwischen der der Induktionseinrichtung zugewandten Unterseite 2a des Polelementes 2 und der Induktionseinrichtung 3, f_max der Maximalwert von f(x), τ die Weite eines Paares von zwei nebeneinanderliegenden Polelementen 2 in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn und bgs der Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden Polelementen 2 in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn. In 2 sind die entsprechenden Größen eingezeichnet.
Die Koeffizienten C₁ , C₂ , C₃ und N_g werden so gewählt, dass sich eine maximale Leistungsdichte ergibt.
Durch diese spezielle Form der Unterseite 2a der Polelemente 2 wird erzielt, dass der Gradient des bereitgestellten primären Magnetfeldes in Bewegungsrichtung annähernd optimal hinsichtlich der Leistungsdichte gestaltet ist
Der Abstand y zwischen einem Punkt an der Unterseite 2a eines Polelementes 2 und der gegenüberliegenden Seite der Induktionseinrichtung 3 in einer Richtung z quer zu der vorgegebenen Bewegungsbahn ist konstant.
Schließlich umfasst die dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremse 1 einen quaderförmigen Eisenrückschluss 6, welcher an der in 1 nach unten weisenden Unterseite der Induktionseinrichtung 3 angeordnet ist. Konkret steht der Eisenrückschluss mit den in 1 nach unten weisenden Stirnseiten der Stifte 5 der Induktionseinrichtung 3 in Kontakt.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden die Abmessungen wie folgt gewählt, wobei sich versteht, dass diese rein beispielhaft sind und andere Abmessungen gleichermaßen möglich sind. Die Stahlstifte 5 haben einen Durchmesser d_p von ca. 1 mm und sind in einem Abstand w_p (Mittelpunkt zu Mittelpunkt) von ca. 8 mm angeordnet, was gleichermaßen für den Durchmesser und den Abstand benachbarter Löcher gilt. Die Lochbelche 4 haben eine Dicke S von ca. 0,5 mm und sind in einem Abstand w_s von ca. 1 mm angeordnet. Der Abstand δ_min zwischen dem Tiefpunkt 2b der Unterseite 2a der Polelemente 2 zu der in den 1 und 2 nach oben weisenden Seite der Induktionseinrichtung 3 beträgt ferner ca. 1 mm. Der Abstand b_gs zwischen zwei Polelementen 2 beträgt ca. 5 mm. Die Höhe des Eisenrückschlusse 6 h_j liegt bei ca. 10 mm. Die Gesamthöhe h von Induktionseinrichtung 3 und Eisenrückschluss 6 beträgt ca. 30 mm, so dass sich für die Höhe der Induktionseinrichtung 3 ca. 20 mm ergibt. Die Weite τ des Paares benachbarter Polelemente 2 in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn ist ca. 30 mm. Die Ausdehnung der Lochbleche 4 in dieser Richtung, welche bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa dem Doppelten der Weite τ entspricht, liegt somit bei etwa 60 mm.
Sind die Erregerspulen der Magneteinrichtung eingeschaltet, ist die Induktionseinrichtung 3 einem Magnetfeld ausgesetzt, wobei das Magnetfeld ausgehend von dem in den 1 und 2 rechts liegenden, als Nordpol dienenden Polelement 2 durch die Induktionseinrichtung, zu dem Eisenrückschluss 6, zurück in die Induktionseinrichtung 3 und zu dem als Südpol dienenden linken Polelement 2 geleitet wird.
Alternativ zu der in den 1 und 2 dargestellten Anordnung, bei welcher Polelemente 2 und Induktionseinrichtung 3 entlang einer linearen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind, kann sich die erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse auch durch eine rotatorische Konfiguration auszeichnen, bei welcher Polelemente 2 und Induktionseinrichtung 3 entlang einer kreisförmigen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind. Eine erste Ausführungsform rotatorischer Konfiguration in perspektivischer Ansicht ist in den 3 und 9 dargestellt. Eine zweite, dritte und vierte Ausführungsform rotatorischer Konfiguration findet sich in den 11, 13 und 16. Gleiche Komponenten der rotatorischen Ausführungsformen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen wie die in den 1 und 2 dargestellte lineare Ausführungsform.
Wie aus den 3 und 9 hervorgeht, zeichnet sich die dargestellte rotatorische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bremse 1 durch eine Induktionseinrichtung 3 mit einer Außenkontur in Form einer kreisförmigen Scheibe mit einem Loch in der Mitte aus. Das Loch ist nur in den Schnittdarstellung der 4 zu erkennen. Durch das Loch erstreckt sich eine drehbar gelagerte Welle 7, an welcher eine zu der Welle koaxiale scheibenförmige Trägerplatte 8 mit Polelementen 2 befestigt ist, die sich zusammen mit der Welle 7 dreht.
An der von der Trägerplatte 8 abgewandten Unterseite der Induktionseinrichtung 3 ist ein scheibenförmiger Eisenrückschluss 6 mit einem Loch in der Mitte vorgesehen, durch welches sich die Welle 7 ebenfalls erstreckt. Der Eisenrückschluss 6 ist mit der Welle 7 nicht verbunden.
Die Anordnung ist somit derart getroffen, dass die Welle 7 und die daran befestigte Trägerplatte 8 mit den Polelementen 2 gegenüber der Induktionseinrichtung 3 und dem Eisenrückschluss 6 rotierbar ist, während die Induktionseinrichtung 3 und der Eisenrückschluss 6 ruhen. Die Polelemente 2 bewegen sich, wenn die Welle 7 rotiert wird, entlang einer vorgegebenen kreisförmigen Bewegungsbahn.
Die Induktionseinrichtung 3 mit scheibenförmiger Außenkontur umfasst, was in der 3 nicht erkennbar ist, genau wie die Induktionseinrichtung 3 der Ausführungsform aus 1 eine Mehrzahl von zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten, voneinander beabstandten Lochblechen 4 aus Kupfer. Bei der rotierenden Ausführungsform gemäß 3 sind die Lochbleche scheibenförmig ausgebildet und weisen ein Loch in der Mitte auf. Eine Aufsicht auf ein scheibenförmiges Lochblech 4 ist in der 7 dargestellt. Die scheibenförmigen Lochbleche 4 zeichnen sich ebenfalls durch ein regelmäßiges Lochmuster aus und sie sind derart angeordnet, dass ihre Löcher fluchten. Dabei erstreckt sich durch jeweils fluchtende Löcher übereinanderliegender Lochbleche 4 jeweils ein Stift 5. Auch bei der rotierenden Ausführungsform sind die Stifte 5 quer zu den Lochblechen orientiert, wie in der Schnittdarstellung gemäß 4 angedeutet ist.
Die Induktionseinrichtung 3 der rotierenden Ausführungsform aus 3 umfasst im Gegensatz zu der Induktionseinrichtung 3 gemäß den 1 und 2 ein Gehäuse 9 mit einer in der Darstellung aus 9 erkennbaren seitlichen Öffnung 10. Die Lochbleche 4 der Induktionseinrichtung 3 können mittels einer Kühlflüssigkeit, die über die Öffnung 10 in das Gehäuse 9 eingeleitet (in der Figur durch den Pfeil angedeutet) und über diese Öffnung 10 und/oder ggf. vorgesehene weitere Öffnung herausgeleitet wird, besonders effizient gekühlt werden. Der Außendurchmesser des Gehäuses 9 beträgt ca. 150 mm.
An der der Induktionseinrichtung 3 zugewandten Stirnseite 8a der an der Welle 7 befestigten Trägerplatte 8 sind in Umfangsrichtung nebeneinanderliegend eine Mehrzahl von Polelementen 2 angeordnet. Jedes Polelement umfasst eine Polplatte 11, die sich durch einen im Wesentlichen Kreissegment-förmigen Horizontalschnitt auszeichnet, sowie eine um einen im Horizontalschnitt ebenfalls im Wesentlichen Kreissegment-förmigen Kern 12 gewickelte Spule 13. Der Kern 12 zeichnet sich jeweils durch eine Dicke von ca. 6 mm aus. Eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Polelemente mit Polplatte 11, Kern 12 und Spule 13 kann den 5a und 5b entnommen werden, welche eine Ansicht auf das Polelement 2 von schräg oben und schräg unten zeigen. Der Kern 12 und die darum gewickelte Spule 13 sind jeweils an der in 5b nach oben und in der 5a nach unten weisenden Oberseite der Polplatte 11 des Polelementes 2 befestigt.
Wie aus der 3 hervorgeht, sind die Polelemente 2 derart an der Trägerplatte 8 befestigt, dass die jeweils um den Kern 12 gewickelten Spulen 13 zu der Trägerplatte 8 weisen und die Polplatten 11 der Induktionseinrichtung 3 zugewandt sind.
Analog zu der Ausführungsform mit linearen Bewegungsbahn aus den 1 und 2 zeichnen sich die Polelemente 2 an ihrer Unterseite, konkret deren Kreissegment-förmigen Polplatten 11 an ihrer der Induktionseinrichtung 3 zugewandten Unterseite zur Bereitstellung eines in Bewegungsrichtung hinsichtlich der Leistungsdichte optimalen Magnetfeldgradienten durch eine Form aus, die einer Freiformfläche der vorstehend bereits zu der linearen Ausführungsform angegebenen Gleichung entspricht.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist die Anordnung ferner derart getroffen, dass die Polelemente 2 in Umfangsrichtung alternierend als magnetischer Nord- und magnetischer Südpol dienen, also links und rechts von einem Polelement 2 gegebener Polung jeweils ein Polelement 2 mit entgegengesetzter Polung liegt. Dies wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erzielt, dass die um den Kern 12 gewickelten Spulen 13 nebeneinanderliegender Polelemente 2 in umgekehrter Richtung von Strom durchflossen werden. Damit liegt beispielsweise bei einem Polelement 2 der magnetische Südpol der Spule 13 an der der Polplatte 9 zugewandten Stirnseite der Spule 13 und der Nordpol an der der Trägerplatte 8 zugewandten Stirnseite, während bei den beiden benachbarten Polelementen 2 der Nord- und Südpol der Spule 13 an genau entgegengesetzten Stirnseiten liegt.
Alternativ zu dem um einen Kern 12 gewickelten Spulen 13 können die Polelemente 2 auch Permanentmagneten 14 umfassen, wie in den 6a und 6b dargestellt. Ein Polelement 2 dient dann beispielsweise als magnetischer Nordpol, wenn der magnetische Nordpol des Permanentmagneten 14 der Polplatte 11 zugewandt ist und umgekehrt.
Der scheibenförmige Eisenrückschluss 6 wird bei der rotierenden Ausführungsform gemäß 3 durch ein schneckenförmig aufgewickeltes Elektrostahlband 15 gebildet, welches in 8 dargestellt ist.
Wie das primäre Magnetfeld durch die Bremse gemäß 3 geleitet wird, kann der stark vereinfachten ausschnittsweisen Seitenansicht in 10 entnommen werden, in welcher der Verlauf des Magnetfeldes rein schematisch mittels Pfeilen für zwei Polelemente 2 angedeutet ist. Konkret wird das primäre Magnetfeld ausgehend von den beispielsweise in 10 linken Polelement 2, welches als magnetischer Nordpol dient, durch die Induktionseinrichtung 3 in den Eisenrückschluss 6 geleitet und aus dem Eisenrückschluss 6 zurück in die Induktionseinrichtung 3 und in das benachbarte, als magnetischer Südpol dienende Polelement 2.
Die Betriebsweise der in 3 dargestellten rotatorischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrodynamischen Bremse 1 ist völlig analog zu derjenigen in den 1 und 2 dargestellten linearen Ausführungsform, wobei eine in den Figuren nicht dargestellte zu bremsende Komponente bei der rotatorischen Bremse 1 mit der Welle 7 verbunden ist und eine Rotationsbewegung der Komponente mit der erfindungsgemäßen Bremse 1 gebremst werden kann.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden die Abmessungen wie folgt gewählt, wobei sich versteht, dass diese rein beispielhaft sind und andere Abmessungen gleichermaßen möglich sind. Die Trägerplatte 8 ist ca. 8 mm dick. Der Eisenrückschluss 6 zeichnet sich durch eine Dicke von ca. 10 mm aus. Der Außendurchmesser eines Lochbleches beträgt ca. 140 mm und der Innendurchmesser ca. 60 mm. Der in dem Detail A aus 7 eingezeichnete Abstand w_p der Mittelpunkte benachbarter Löcher liegt bei ca. 8 mm. Der Lochdurchmesser beträgt - wie bei der linearen Ausführungsform - ca. 3 mm. Der Abstand der Lochbleche 4 liegt ebenfalls bei ca. 1 mm. Die Anordnung ist ferner derart, dass der minimale Abstand zwischen der der Induktionseinrichtung 3 zugewandten Seite einer Polplatte 11 und der Induktionseinrichtung 3 ca. 2 mm beträgt, wobei die maximale Dicke der Polplatten 11 bei ca. 5 mm liegt. Die Dicke d_E des Elektrostahlbandes 15 liegt ferner bei etwa 0,5 mm.
Die im Folgenden beschriebenen weiteren Ausführungsbeispiele rotatorischer Konfiguration zeichnen sich durch die gleichen rein beispielhaft gewählten Abmessungen aus.
Alternativ zu der rotatorischen Ausführungsform gemäß den 3 und 9 kann der scheibenförmige Eisenrückschluss 6 auch durch eine weitere Trägerplatte mit Polelementen 2 ersetzt sein. Eine entsprechende Ausführungsform ist in der 11 in perspektivischer Ansicht und in der 12 in stark vereinfachter ausschnittsweiser Seitenansicht dargestellt. Konkret sind zu beiden Stirnseiten der Induktionseinrichtung 3 an der Welle 7 befestigte baugleiche Trägerplatten 8 vorgesehen, an denen jeweils eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Polelementen 2 angeordnet sind und zwar jeweils an der der Induktionseinrichtung 3 zugewandten Stirnseite jeder der beiden Trägerplatten 8. Die Polelemente 2 an der zweiten Trägerplatte 8 sind baugleich zu denjenigen, die an der ersten Trägerplatte 8 angeordnet und vorstehend beschrieben wurden, mit Polplatten 11 und um Kerne 12 gewickelten Spulen 13. Die Anordnung ist dabei derart, dass sich jeweils zwei Polelemente 2 gegenüberliegen, die als entgegengesetzte magnetische Pole dienen.
Wie der stark vereinfachten Seitenansicht dieser zweiten rotatorischen Ausführungsform in 12 entnommen werden kann, wird das Magnetfeld ausgehend von dem in 12 oben links liegenden, als magnetischen Nordpol dienenden Polelement 2 durch die Induktionseinrichtung 3 zu dem diesem Polelement gegenüberliegenden Polelement 2 an der anderen Trägerplatte 8 (in der 12 unten links) geleitet, welches als magnetischer Südpol dient2. In gleicher Weise wird das Magnetfeld von dem in der 12 unten rechts liegenden Polelement 2 an der gleichen Trägerplatte 8, welches als magnetischer Nordpol dient durch die Induktionseinrichtung 3 zurück zu dem oben rechts liegenden als magnetischen Südpol dienenden Polelement 2 der anderen Trägerplatte 8.
Eine dritte rotatorische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrodynamischen Bremse 1 ist in der 13 gezeigt. Diese umfasst, wie die Ausführungsform gemäß 9 eine in der 13 rechts dargestellte Trägerplatte 8, an der der Induktionseinrichtung 3 zugewandten Stirnseite in Umfangsrichtung nebeneinanderliegend eine Mehrzahl von Polelementen 2 vorgesehen ist. Auf der anderen Seite der Induktionseinrichtung 3 (in 13 links) befindet sich - ebenfalls wie bei der Ausführungsform gemäß 9 - ein scheibenförmiger Eisenrückschluss 6, welcher durch ein schneckenförmig aufgewickeltes Elektrostahlband 15 gegeben ist. Die Ausführungsform gemäß 13 unterscheidet sich von derjenigen aus 9 lediglich dadurch, dass jedes zweite Polelement 2 fehlt und zwar konkret diejenigen Polelemente 2, welche bei der Ausführungsform gemäß 9 als magnetische Südpole dienen. Sämtliche Polelemente 2 dienen bei der dritten rotatorischen Ausführungsform somit als magnetische Nordpole. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Polelemente 2 anstelle von um Kerne 12 gewickelten Spulen 13 Permanentmagneten 14 umfasse, wie es in den 6a und 6b gezeigt ist. Die Magneteinrichtung umfasst bei dieser Ausführungsform ferner eine elektrische Erregerspule 16, welche sich um die drehbar gelagerte Welle 7 erstreckt jedoch nicht mit dieser verbunden ist. Wie der stark vereinfachten radialen Schnittdarstellung der Bremse 1 in 15 entnommen werden kann, erstreckt sich die Erregerspule 16 zwischen der Welle und der Induktionseinrichtung 3. Die Erregerspule 16 ist mit der Induktionseinrichtung 3 verbunden. Die Welle 7 und Trägerplatte 8 mit den Polelementen 2 ist gegenüber der ruhenden Induktionseinrichtung 3, dem ruhenden Eisenrückschluss 6 und der ruhenden Erregerspule 16 rotierbar gelagert.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass - gegenüber derjenigen gemäß 9, bei welcher die mit der Welle 7 und der Trägerplatte 8 rotierenden Polelemente 2 mit Strom zu speisende Spulen 13 umfassen - eine Stromzufuhr ausschließlich zu ruhenden Komponenten der Bremse 1 erforderlich ist, nämlich zu der ruhenden Erregerspule 16.
Die Magnetfeldkonfiguration ist bei dieser Ausführungsform wie in den 14 und 15 rein schematisch mittels der Pfeile angedeutet. Das Magnetfeld wird ausgehend von den Polelementen 2 an der Trägerplatte 8, die sämtlich als magnetische Nordpole dienen, durch die Induktionseinrichtung 3, durch den Eisenrückschluss, durch die von der Erregerspule 16 umgebene Welle 7 und durch die Trägerplatte 8 zu den Polelementen 2 zurückgeführt.
Schließlich ist eine vierte rotierende Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bremse in perspektivischer Ansicht in der 16 gezeigt. Eine stak vereinfachte Seitenansicht sowie eine stark vereinfachte radiale Schnittdarstellung der Bremse aus 16 finden sich in den 17 und 18. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen gemäß 13 alleine dadurch, dass hier - analog zur der Ausführungsform gemäß 11 - an Stelle eines Eisenrückschlusses 6 eine weitere Trägerplatte 8 mit daran angeordneten Polelementen 2 vorgesehen ist. Dabei ist die Anordnung konkret derart, dass sämtliche an der in 16 rechten Trägerplatte 8 angeordneten Polelemente als magnetische Nordpole dienen und sämtliche auf der in 16 linken Trägerplatte 8 angeordneten Polelemente 2 als magnetische Südpole dienen, wobei jeweils ein Polelement 2 der einen Trägerplatte 8 einem Polelement 8 entgegengesetzter Polung an der anderen Trägerplatte 8 gegenüberliegt. Die Polelemente 2 umfassen - analog zu der Ausführungsform aus 13 - keine um einen Kern 12 gewickelten Spulen 113 sondern, wie in den 6a und 5b gezeigt, jeweils einen Permanentmagneten 14.
Auch bei dieser Ausführungsform erstreckt sich um die drehbar gelagerte Welle 7 eine Erregerspule 16, die zusammen mit der Induktionseinrichtung 3 ruht während die Welle 7 mit den beiden an dieser befestigten Trägerplatten 8 rotiert. Die Erregerspule ist wiederum nur in der Schnittdarstellung gemäß 18 zu erkennen.
Wie in den 17 und 18 zu erkennen, ist die Magnetfeldkonfiguration bei dieser Ausführungsform ähnlich zu derjenigen der Ausführungsform aus 13. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Magnetfeld nicht über einen an der Unterseite der Induktionseinrichtung 3 vorgesehenen Eisenrückschluss 6 in die Welle 7 geleitet wird sondern über die an der weiteren Trägerplatte vorgesehenen, als magnetischen Südpole dienenden Polelemente 2 und weitere Trägerplatte 8 (vgl. 18).
Diese Ausführungsform bietet gleichermaßen den Vorteil, dass keine Stromzufuhr zu bewegten Komponenten erforderlich ist.
Sowohl für die erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse 1 mit linearer Bewegungsbahn gemäß 1 als auch für sämtliche erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse 1 mit kreisförmiger Bewegungsbahn gemäß den 3, 9, 11, 13 und 16 gilt, dass wenn die Polelemente 2 entlang der linearen oder kreisförmigen Bewegungsbahn oberhalb und ggf. unterhalb der Induktionseinrichtung 3 und parallel zu dieser bewegt werden, die Induktionseinrichtung 3 ein veränderliches Magnetfeld sieht und in dieser, konkret in den Lochbelchen 4 elektrische Ströme induziert werden, womit in an sich bekannter Weise ein Bremseffekt einhergeht.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Induktionseinrichtung 3 wird dabei erreicht, dass das primäre Magnetfeld über die Stifte 5 mit hoher magnetischer Permeabilität durch die elektrisch leitfähigen jedoch magnetisch isolierenden Lochbleche 4 aus Kupfer geleitet wird. Ein primäres Magnetfeld kann so ein elektrisch leitfähiges Material durchdringen ohne dass eine hohe Permeabilität und eine hohe elektrische Leitfähigkeit punktuell gemeinsam vorliegen. Das Auftreten des Skineffektes in der Induktionseinrichtung 3 der erfindungsgemäßen Bremse 1 wird dadurch zuverlässig vermieden. Darüber hinaus kann über die vergleichsweise hohe freie Oberfläche der Mehrzahl der Lochbleche 4 die in diesen während eines Bremsvorganges anfallende Wärme effizient an die umgebende Luft oder ein die Lochbelche 4 umgebendes Kühlmedium, abgegeben werden.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen elektrodynamischen Bremse können auf Basis des Modells einer herkömmlichen Wirbelstrombremse überschlägig abgeschätzt werden. Dabei ist der Kern des Problems, dass die Materialstärke, in welcher die Wirbelströme auftreten, durch den Skineffekt von der Materialstärke s_co auf eine effektive Materialstärke s_coe reduziert wird. Die 19 zeigt in rein schematischer Schnittdarstellung einen quaderförmigen Vollkörper 17 aus einem elektrisch leitfähigen Material der Stärke s_co , der durch ein primäres Magnetfeld B mit der Geschwindigkeit v_m bewegt wird (in der Figur durch einen entsprechenden Pfeil angedeutet).W wie in 20 rein schematisch angedeutet wird in dem Körper 17 in einem Wirbelstrompfad eine Spannung induziert und es fließt ein Strom durch die approximierten Widerstände R1, R2 und R3. Unter anderem geht in die Widerstände die effektive Materialstärke s_coe ein, die sich aus dem Skineffekt ergibt. Wird diese effektive Materialstärke s_coe durch die real vorhandene Materialstärke s_co ersetzt, entspricht dies einer Unterdrückung des Skineffektes, welcher durch die erfindungsgemäße elektrodynamische Bremse 1 erzielt wird. Die 21 enthält eine rein schematische Darstellung zu der Stromdichteverteilung in einem homogenen Material und der Approximation der effektiven Eindringtiefe Scoe.
Wie ferner dem Graphen aus 22 entnommen werden kann, in welchem die Bremskraft in Newton über der Geschwindigkeit des Körpers 17 in Meter pro Sekunde aufgetragen ist, kann die Bremskraft ohne Skineffekt, welche durch die obere gestrichelte Kurve repräsentiert ist, gegenüber der Bremskraft mit Skineffekt, welche durch die untere durchgezogene Kurve repräsentiert ist, deutlich gesteigert werden.
Durch eine geeignete Polform, insbesondere durch Polelemente mit einer Unterseite in Form einer Freiformfläche, kann die Induktivität zugunsten einer höheren Leistungsdichte optimiert werden. Die Induktivität wurde deshalb leicht reduziert, was ebenfalls zu einer Steigerung der Bremskraft führt. Es wurden ferner Bremszyklen zu verschiedenen Füllfaktoren des Blechmaterials zum Gesamtvolumen der Induktionseinrichtung 3 und für eine variable Anzahl von Lochblechen 4 simuliert. In dem Graphen in 23 ist der Temperaturverlauf einer Schicht beim Bremsen dargestellt. Konkret ist darin die maximale Temperatur eines Lochbleches 4 in °C gegenüber dem Füllfaktor zeta des Lochblechmaterials in Bezug auf das Gesamtvolumen der Induktionseinrichtung 3 sowie gegenüber der Anzahl der Schichten N_s , also der Anzahl der Lochbelche 4 aufgetragen. 23 zeigt, dass die maximale Temperatur mit der Anzahl der Lochbleche 4 stark abnimmt.

Claims

Elektrodynamische Bremse (1) mit einer Magneteinrichtung zur Bereitstellung eines Magnetfeldes, die wenigstens zwei Polelemente (2) aufweist, und mit einer Induktionseinrichtung (3), die derart angeordnet ist, dass sie in einem Bremsmodus zumindest teilweise einem über die Polelemente (2) der Magneteinrichtung bereitgestellten Magnetfeld ausgesetzt und derart ausgebildet ist, dass in dieser in einem veränderlichen Magnetfeld elektrische Ströme induziert werden, wobei die Induktionseinrichtung (3) und die Polelemente (2) der Magneteinrichtung entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Induktionseinrichtung (3) eine Mehrzahl von zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten, voneinander beabstandeten Lochblechen (4) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer geringen magnetischen Permeabilität, umfasst, die derart angeordnet sind, dass ihre Löcher fluchten, wobei sich durch fluchtende Löcher jeweils wenigstens ein, insbesondere genau ein Stift (5) aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung derart ist, dass die Polelemente (2) entlang der vorgegebenen Bewegungsbahn in einem zumindest im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Induktionseinrichtung (3) bewegt werden oder umgekehrt, und die Form der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite (2a) der Polelemente (2) oder die Form der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite einer Polplatte (9) der Polelemente (2) derart ist, dass sich der Abstand zwischen einem Punkt an der Unterseite (2a) des Polelementes (2) oder der Unterseite der Polplatte (9) und der gegenüberliegenden Seite der Induktionseinrichtung (3) in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn ändert, wobei die Anordnung derart ist, dass die Polelemente (2) bewegbar sind und die Induktionseinrichtung (3) ruht und sich der Abstand in Richtung der Bewegungsbahn der Polelemente (2) in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Polelemente (2) vorne liegenden Bereich stärker ändert als in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Polelemente (2) hinten liegenden Bereich oder die Anordnung derart ist, dass die Polelemente (2) ruhen und die Induktionseinrichtung (3) bewegbar ist und sich der Abstand in Richtung der Bewegungsbahn der Induktionseinrichtung (3) in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Induktionseinrichtung (3) hinten liegenden Bereich stärker ändert als in einem in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Induktionseinrichtung (3) vorne liegenden Bereich, wobei die Form der Unterseite (2a) der Polelemente (2) oder die Form der Unterseite einer Polplatte (11) der Polelemente (2) einer Freiformfläche entspricht, welche der Gleichung $y (x *) = f_{m a x} - f (x *) + δ_{m i n}$
mit $f (x *) = [c_{1} f_{1} (x *) + c_{2} f_{2} (x *) + c_{3} f_{3} (x *)] b (x *)$
$f_{1} (x *) = e^{- {| \frac{4 x * - 2 b_{g s}^{*}}{1 - 2 b_{g s}^{*}} - 1 |}^{N_{G}}}$
$f_{2} (x *) = cos (2 π x * - \frac{1}{4})$
$f_{3} (x *) = x * - \frac{1}{4}$
$b (x *) = e^{- {| \frac{4 x * - 2 b_{g s}^{*}}{1 - 2 b_{g s}^{*}} - 1 |}^{200}}$
$x * = \frac{x}{τ} = 0 \dots 0,5$
$b_{g s}^{*} = \frac{b_{g s}}{τ}$
folgt, wobei x die Ortskoordinate in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn, y der von x abhängige Abstand zwischen der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite (2a) des Polelementes (2) und der Induktionseinrichtung (3) in einer Richtung orthogonal zur x-Richtung, δ_min der minimale Abstand zwischen der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite (2a) des Polelementes (2) und der Induktionseinrichtung (3), f_max der Maximalwert von f(x), τ die Weite eines Paares von zwei nebeneinanderliegenden Polelementen (2) in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn und b_gs der Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden Polelementen (2) in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn und C₁, C₂, C₃ und N_g jeweils ein zu wählender Koeffizient ist.
Elektrodynamische Bremse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochbleche aus Kupfer und/oder die Stifte aus Stahl sind.
Elektrodynamische Bremse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung derart ist, dass die vorgegebene Bewegungsbahn zumindest im Wesentlichen parallel zu den Lochblechen (4) orientiert ist und/oder sich die Stifte (5) zumindest im Wesentlichen quer zu den Lochblechen (4) durch die fluchtenden Löcher erstrecken.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite (2a) der Polelemente (2) oder die Form der der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Unterseite einer Polplatte (9) der Polelemente (2) derart ist, dass der Abstand zwischen einem Punkt an der Unterseite (2a) des Polelementes (2) oder der Unterseite der Polplatte (9) und der gegenüberliegenden Seite der Induktionseinrichtung (3) in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn von einem Ende des Polelementes (2) aus gesehen zunächst bis zu einem Tiefpunkt (2b) abnimmt und von dem Tiefpunkt (2b) bis zu dem anderen Ende des Polelementes (2) wieder zunimmt.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Polelemente (2) der Magneteinrichtung in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Polelement (2) als magnetischer Nordpol und wenigstens ein Polelement (2) als magnetischer Südpol dient, bevorzugt jeweils mehrere Polelemente (2) als magnetische Nordpole und mehrere Polelemente (2) als magnetische Südpole dienen, die insbesondere in Richtung der vorgegebenen Bewegungsbahn alternierend angeordnet sind.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtung wenigstens eine elektrische Erregerspule (16) umfasst und insbesondere die Polelemente (2) Teil eines magnetischen Kreises sind, der mit der wenigstens einen elektrischen Erregerspule (16) verkettet ist und/oder die Magneteinrichtung wenigstens einen Permanentmagneten umfasst und insbesondere die Polelemente (2) Teil eines magnetischen Kreises sind, der mit dem wenigstens einen Permanentmagneten verkettet ist.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polelemente (2) der Magneteinrichtung durch die die magnetischen Pole bildenden Endbereiche eines oder mehrerer Permanentmagneten gegeben sind.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eisenrückschluss (6) vorgesehen ist, der bevorzugt aus einem weichmagnetischen Komposit oder aus einem keramischen Ferrit gefertigt ist.
Elektrodynamische Bremse (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten der Stifte (5) zu der Ober- und der Unterseite der Induktionseinrichtung (3) weisen, wobei Polelemente (2) der Magneteinrichtung insbesondere ausschließlich der Oberseite der Induktionseinrichtung (3) gegenüberliegend angeordnet sind und der Eisenrückschluss (6) der Unterseite der Induktionseinrichtung (3) gegenüberliegend angeordnet ist, und wobei der Eisenrückschluss (6) insbesondere an der Unterseite der Induktionseinrichtung (3) unmittelbar anliegt.
Elektrodynamische Bremse (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Polelemente (2) als magnetische Nordpole dienen.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten der Stifte (5) zu der Ober- und zu der Unterseite der Induktionseinrichtung (3) weisen und sowohl der Oberals auch der Unterseite der Induktionseinrichtung (3) gegenüberliegend Polelemente (2) der Magneteinrichtung angeordnet sind, wobei die Anordnung insbesondere derart ist, dass einem als magnetischer Nordpol dienenden Polelement (2) an der Oberseite der Induktionseinrichtung (3) ein als magnetischer Südpol dienendes Polelement (2) an der Unterseite der Induktionseinrichtung (3) gegenüberliegt.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung derart getroffen ist, dass die Induktionseinrichtung (3) und die Poleelemente (2) der Magneteinrichtung entlang einer linearen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung derart getroffen ist, dass die Induktionseinrichtung (3) und die Poleelemente (2) der Magneteinrichtung entlang einer kreisförmigen Bewegungsbahn relativ zueinander bewegbar sind.
Elektrodynamische Bremse (1) nach Anspruch 9 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenrückschluss (6) durch ein schneckenförmig aufgewickeltes Elektrostahlband (15) gebildet wird.
Elektrodynamische Bremse (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Induktionseinrichtung (3) durch eine Außenkontur in Form einer Scheibe mit einem Loch in der Mitte auszeichnet, und sich durch das Loch eine drehbar gelagerte Welle (7) erstreck, an der eine koaxiale scheibenförmige Trägerplatte (8) befestigt ist, an deren der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Stirnseite in Umfangsrichtung nebeneinanderliegend Polelemente (2) der Magneteinrichtung angeordnet sind, wobei insbesondere der Außenumfang der Induktionseinrichtung (3) und der Außenumfang der Trägerplatte (8) zumindest in etwa gleich groß sind.
Elektrodynamische Bremse (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf der von der Trägerplatte (8) abgewandten Seite der Induktionseinrichtung (3) ein scheibenförmiger Eisenrückschluss (6) mit einem Loch in der Mitte vorgesehen ist, durch welches sich die Welle (7) erstreckt, oder auf der von der Trägerplatte (8) abgewandten Seite der Induktionseinrichtung (3) eine weitere an der Welle (7) befestigte koaxiale scheibenförmige Trägerplatte (8) vorgesehen ist, an deren der Induktionseinrichtung (3) zugewandten Stirnseite in Umfangsrichtung nebeneinanderliegend Polelemente (2) der Magneteinrichtung angeordnet sind, wobei insbesondere der Außenumfang der Induktionseinrichtung (3) und der Außenumfang der weiteren Trägerplatte (8) zumindest in etwa gleich groß sind.
Elektrodynamische Bremse (1) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtung eine elektrische Erregerspule (16) umfasst, welche die drehbar gelagerte Welle (7) umgibt und insbesondere die Polelemente jeweils einen Permanentmagneten (14) umfassen und/oder sämtliche an einer Trägerplatte (8) angeordneten Polelemente (2) als gleicher magnetischer Pol dienen.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Polelement (2) eine der Induktionseinrichtung zugewandte Polplatte (9), die sich durch einen im Wesentlichen Kreissegment-förmigen Horizontalschnitt auszeichnet, und einen der Trägerplatte (8) zugewandten Permanentmagneten (13) oder eine der Trägerplatte (8) zugewandte um einen Kern (10) gewickelte Spule (11) umfasst.
Elektrodynamische Bremse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um ein Kühlfluid in die zwischen den beabstandeten Lochblechen (4) liegenden Zwischenräume zu leiten.