DE10202634A1 - Hysteresebremse - Google Patents

Abstract

Es wird eine Hysteresebremse (1) mit einem einen außenliegenden Pol und einen innenliegenden Pol aufweisenden Magnetkörper (2) und mit einem Hysteresering (14), der radial von dem außenliegenden Pol und dem innenliegenden Pol umgeben ist, sodass ein innerer Luftspalt (15) und ein äußerer Luftspalt (16) vorgesehen ist, wobei der Hysteresering an einem rotierenden Anker befestigt und der Magnetkörper (2) auf einer Welle (8) gelagert ist, vorgeschlagen, wobei der Anker als Lüfterrad (11) ausgebildet ist und zumindest ein geeigneter Kühlluftkanal (18) vorgesehen ist, sodass eine Zwangsbelüftung der Hysteresebremse (1) ermöglicht ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hysteresebremse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Bekannte Hysteresebremsen sind verschleißfreie Bremsen, welche einen im wesentlichen drehzahlunabhängigen Verlauf des Bremsmoments aufweisen. Das Moment ist bei Hysteresebremsen schon in voller Höhe bei Drehzahl 0 verfügbar. Es wird nur geringfügig mit einem durch Wirbelströme im Hysteresematerial erzeugten Bremsmoment überlagert. Dieser Anteil verhält sich proportional zur Drehzahl und proportional zur Dicke des Hystereseringes. Der Anteil soll möglichst gering gehalten werden, weshalb die Hystereseringe sehr dünnwandig dimensioniert werden. Bei den heute verfügbaren Hysteresebremsen ist die typische Drehzahlabhängigkeit des Momentes kleiner 5%. Das erforderliche Drehmoment wird nur durch den Strom der Erregerspule gesteuert. Diese Eigenschaften der Hysteresebremsen sind mit sonstigen bekannten Bremssystemen nicht realisierbar.
• Es sind beispielsweise leistungsoptimierte Hysteresebremse bekannt, wie sie in der DE 198 56 224 A1 offenbart sind. Diese Bauweise ist für hohe Dauerbremsleistungen geeignet. Dies wird dadurch erreicht, dass der Hysteresering radial um die Polringe angeordnet ist und mit seinem kompletten Außenumfang in einem rotierenden Befestigungsflansch befestigt ist, der gleichzeitig als Kühlkörper ausgebildet ist. Zwischen den Polringen und dem Hysteresering befindet sich ein Luftspalt, durch den der Magnetfluss von den Polringen in den Hysteresering geleitet wird. Die Bremsleistung entsteht im Hysteresering, der sich dadurch wesentlich stärker erwärmt als die Polringe. Die Folge ist, dass der Hysteresering im Betriebszustand eine größere Wärmeausdehnung als die Polringe aufweist. Dadurch entsteht eine Luftspaltvergrößerung, wodurch der magnetische Widerstand ansteigt und der Magnetfluss reduziert wird. Da der Magnetfluss das Bremsmoment im Hysteresering erzeugt, reduziert sich demzufolge das Bremsmoment. In der Praxis ist das Bremsmoment bei eingeprägtem Strom im betriebswarmen Zustand bis zu 15% niedriger als im kalten Betriebszustand.
• Um diesen nachteiligen Effekt auszugleichen, ist es bei der bekannten leistungsoptimierten Hysteresebremse erforderlich, dass der Strom geeignet nachgeregelt wird. Dazu ist ein Regelkreis z. B. mit einer Drehmomentmessung oder einer Polringtemperaturmessung erforderlich.
• Des weiteren sind auch drehmomentoptimierte Hysteresebremsen bekannt. Bei dieser Bauweise weist die Hysteresebremse bei ähnlichen Abmessungen ein um ca. 1/3 höheres Bremsmoment als die leistungsoptimierte Hysteresebremse auf. Jedoch ist die drehmomentoptimierte Hysteresebremse nur für kleinere Dauerbremsleistungen geeignet.
• Bei der drehmomentoptimierten Hysteresebremse ist vorgesehen, dass der Hysteresering radial zwischen einem inneren und einem äußeren Polring rotierend angeordnet ist. Dadurch wird ein innerer und ein äußerer Luftspalt gebildet. Beide Polringe werden durch die Magnetspule und die Wärmestrahlung des Hystereseringes gleichmäßig erwärmt, so dass sich die Summe der Luftspaltbreiten von dem inneren und dem äußeren Luftspalt bei unterschiedlichen Betriebszuständen nicht verändert, auch wenn der Hysteresering innerhalb der beiden Polringe radial seine Position verändert.
• Der magnetische Widerstand und somit das Bremsmoment bleibt bei eingeprägtem Strom konstant und unabhängig von der Betriebstemperatur.
• Der Luftspalt muss aus magnetischen Gründen möglichst klein gehalten werden. Deshalb kann der aktive Teil des Hystereseringes, welcher der Teil ist, der sich innerhalb der beiden Luftspalte befindet, nicht mit einem Kühlkörper ausgerüstet werden. Zur Drehmomentübertragung ist der Hysteresering in axialer Richtung verlängert und an einen rotierenden Flansch bzw. Anker befestigt.
• Da der Hysteresering von den beiden Polringen vollständig umschlossen ist und der Luftspalt eine Wärmeisolierung darstellt, kann die Wärmeabfuhr nur durch den Hysteresering selbst in axialer Richtung in den Flansch erfolgen. Der Hysteresering ist funktionsbedingt sehr dünnwandig und hat infolgedessen einen hohen Wärmewiderstand. Die zulässige Grenztemperatur des Hysteresematerials wird in nachteiliger Weise schon bei kleinen Bremsleistungen erreicht. Zudem bewirkt die Strahlungswärme, die von den Polringen aufgenommen wird, eine zusätzliche Erwärmung der innerhalb der Polringe angeordneten Spule zusätzlich zu ihrer Eigenerwärmung durch ohmsche Verluste.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hysteresebremse der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welche universell einsetzbar ist und bei der keine Nachregelung des Stromes erforderlich ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• Demnach wird eine erfindungsgemäße Hysteresebremse vorgeschlagen, bei der der Anker als Lüfterrad ausgebildet ist und geeignete Kühlluftkanäle vorgesehen sind. Demzufolge wird eine zwangsbelüftete Hysteresebremse geschaffen, bei der die im Hysteresering durch die Bremsleistung erzeugte Wärme direkt an die Umgebungsluft abgeführt wird. Auf diese Weise kann bei der erfindungsgemäßen Hysteresebremse ohne den Einsatz von Sensoren und Regelungen die Leistungsdichte der leistungsoptimierten Hysteresebremse mit der Drehmomentdichte und Drehmomentkonstanz der drehmomentoptimierten Hysteresebremse verbunden werden.
• Bei der Hysteresebremse gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein konstantes Bremsmoment über den gesamten Betriebstemperaturbereich ermöglicht, ohne dass der Strom dazu nachgeregelt werden muss. Ein kostenintensiver Regelkreis z. B. mit einer Drehmoment- oder einer Temperaturmessung ist somit bei der erfindungsgemäßen Hysteresebremse in vorteilhafter Weise nicht erforderlich. Ferner ist eine hohe Wiederholgenauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit des Drehmomentes über die gesamte Lebensdauer gegeben. Des weiteren wird durch die erfindungsgemäße Hysteresebremse eine hohe Dauerbremsleistung bei kompakter Bauweise realisiert. Darüber hinaus wird bei der erfindungsgemäßen Hysteresebremse ein hohes Bremsmoment bei einer Drehzahl gleich 0 und eine geringe Drehzahlabhängigkeit des Bremsmomentes ermöglicht.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der als Lüfterrad ausgebildete Anker mehrere axiale Durchbrüche vorzugsweise im Durchmesserbereich des innenliegenden Pols aufweist. Somit kann die mit dem Lüfterrad angesaugte Kühl- Luft auf einfachste Weise durch die Durchbrüche in die Umgebung der Hysteresebremse abgeführt werden. Es ist auch denkbar, die Durchbrüche an einer anderen beliebigen Position vorzusehen.
• Zur Drehmomentübertragung kann der Hysteresering vorzugsweise in axialer Richtung verlängert und an dem rotierenden Lüfterrad befestigt sein. Im Gegensatz dazu sind die Pole nicht in Form eines geschlossenen Polringes, sondern gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als einzelne Polfinger ausgebildet, wobei diese vorzugsweise von der Welle radial nach außen gerichtet sind. Weiterhin wird durch die Ausgestaltung des äußeren Pols als Polfinger eine erhöhte Wärmeabfuhr aufgrund von natürlicher Konvektion bei der erfindungsgemäßen Hysteresebremse ermöglicht.
• Die gegenüberliegenden äußeren und inneren Polfinger sind versetzt zueinander angeordnet, sodass zwischen den Polfingern in axialer Richtung Durchlassöffnungen vorhanden sind. Auf diese Weise bilden jeweils miteinander korrespondierende Durchlassöffnungen einen Kühlluftkanal, durch den Umgebungsluft strömt, welche insbesondere den Hysteresering und den Magnetkörper kühlen.
• Bevorzugt ist die Anzahl der Durchlassöffnungen des Lüfterrads größer als die Anzahl der Polfinger eines Pols. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der Durchlassöffnungen des Lüfterrads und die Anzahl der Polfinger durch keinen gemeinsamen ganzzahligen Wert dividiert werden kann, welcher größer als 1 ist. Es kann auch eine andere geeignete Anzahl von Durchlassöffnungen vorgesehen werden, je nachdem welche Kühlleistung bei der Hysteresebremse erforderlich ist.
• Ferner kann die Geräuschentwicklung des Lüfterrades bei der erfindungsgemäßen Hysteresebremse in vorteilhafter Weise dadurch gering gehalten werden, da die Anzahl der an den Polfingern vorbei drehenden Durchlassöffnungen deutlich größer als die Anzahl der Polfinger ist. Ebenso sollte vorzugsweise der axiale Abstand von den Lüfterflügeln zu den Polfingern ausreichend groß sein.
• Die vorgesehenen Kühlkanäle können vorzugsweise gleichmäßig über den außenliegenden Pol und den innenliegenden Pol verteilt werden. Es ist auch denkbar, eine unregelmäßige Verteilung vorzusehen.
• Auf der Außenseite sind in den Flansch Lüfterflügel integriert. Auf diesen Lüfterflügel ist axial angeordnet ein Luftleitelement befestigt. Das Luftleitelement ist z. B. durch eine Schwungscheibe ersetzbar.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Lüfterrad über einen Freilauf mit der Welle gekoppelt ist. Dies ist besonders dann notwendig, wenn die erfindungsgemäße Hysteresebremse in einem Ergometer, insbesondere bei einem Einsatz in einem Trainingsgerät oder dergleichen, vorgesehen ist, um einen Pedalrückschlag durch die Tretkurbel zu vermeiden. Ferner sind die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Hysteresebremse ideal für den Einsatz in einem Trainingsgerät.
• Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass das Lüfterrad mehrere Lüfterflügel aufweist. Des weiteren kann an den Lüfterflügeln ein Luftleitelement vorgesehen sein, welches vorzugsweise als Luftleitblech ausgebildet ist. Die Kühlung der erfindungsgemäßen Hysteresebremse erfolgt nun dadurch, dass das Lüfterrad mit seinen Lüfterflügeln und dem Luftleitblech quasi einen Ventilator bildet, der durch die axialen Durchbrüche Luft ansaugt. Der Kühlluftstrom tritt zwischen den äußeren Polfingern in die Hysteresebremse ein und wird an der Innenseite des Hystereserings und an der Magnetspule des Magnetkörpers entlang geführt, sodass diese Wärmeerzeuger direkt gekühlt werden. Der Kühlluftstrom kann dann durch das Lüfterrad radial nach außen von der Hysteresebremse ausströmen. Die Kühlleistung der erfindungsgemäßen Hysteresebremse steigt näherungsweise linear mit der Drehzahl an. Somit passt dieser Verlauf optimal zur Charakteristik der Hysteresebremse, deren abzuführende Leistung ebenfalls linear mit der Drehzahl ansteigt.
• Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei der erfindungsgemäßen Hysteresebremse an dem Lüfterrad eine Schwungscheibe vorgesehen ist.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen am Beispiel einer Hysteresebremse der eingangs genannten Art näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Hysteresebremse und
• Fig. 2 eine vordere Ansicht der erfindungsgemäßen Hysteresebremse auf die außenliegende Polfinger.
• In Fig. 1 ist eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Hysteresebremse 1 dargestellt. Die Hysteresebremse 1 weist einen aus Weicheisen gefertigten Magnetkörper 2 auf, welcher mehrere außenliegende Polfinger 3 und mehrere innenliegende Polfinger 4 umfasst, wobei zwischen den Polfingern eine Erregerspule bzw. Magnetspule 5 vorgesehen ist. Die Magnetspule 5 hat aus dem Magnetkörper 2 austretende Anschlußkontakte 6. Der Magnetkörper 2 ist gehäusefest montiert. Im Magnetkörper 2 ist über Kugellager 7 eine Welle 8 gelagert. Ein Ende der Welle 8 weist ein Riemenprofil 9 auf und das andere Ende der Welle 8 ist über einen Freilauf 10 mit einem als Anker fungierenden Lüfterrad 11 gekoppelt.
• Das Lüfterrad 11 weist Lüfterflügel 12 und als Anschlussteil ein Leitblech 13 auf, welches in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. An dem Lüfterflügel 12 ist ein Hysteresering 14 vorgesehen. Der Hysteresering 14 wird radial von den außenliegenden Polfingern 3 und den innenliegenden Polfingern 4 umgeben, welche sich in Umfangsrichtung überlappen, sodass ein innerer Luftspalt 15 und ein äußerer Luftspalt 16 gebildet wird.
• Die Polfinger 3, 4 des außenliegenden Pols und des innenliegenden Pols sind versetzt zueinander angeordnet, sodass zwischen den Polfingern 3, 4 mehrere axiale Durchlassöffnungen 17 vorgesehen sind. Mit den Durchlassöffnungen 17 werden in axialer Richtung verlaufende Kühlluftkanäle 18 gebildet, sodass eine Zwangsbelüftung der Hysteresebremse 1 ermöglicht wird. Zudem sind bei dem Lüfterrad 11 mehrere Durchbrüche 19 vorgesehen, welche im Durchmesserbereich der innenliegenden Polfinger 4 vorgesehen sind.
• Die Kühlung der erfindungsgemäßen Hysteresebremse 1 erfolgt nun dadurch, dass das Lüfterrad 11 mit seinen Lüfterflügeln 12 und dem Luftleitblech 13 einen Ventilator bildet, der durch die axialen Durchbrüche 19 Luft ansaugt. Der Kühlluftstrom tritt zwischen den äußeren Polfingern 3 in die Hysteresebremse 1 ein und wird an der Innenseite des Hystereserings 14 und an der Magnetspule 5 des Magnetkörpers 2 entlang geführt, sodass diese Wärmeerzeuger direkt gekühlt werden. Der Kühlluftstrom kann dann durch das Lüfterrad 11 radial nach außen aus der Hysteresebremse 1 ausströmen. Die Strömung der Kühlluft ist in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.
• In Fig. 2 ist eine mögliche Ausgestaltung des Lüfterrades 11, der außenliegenden Polfinger 3, der innenliegenden Polfinger 4 und des Hystereseringes 14 der erfindungsgemäßen Hysteresebremse dargestellt, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet sind.
• Die außenliegenden und innenliegenden Polfinger 3, 4 sind radial nach außen von der Welle 8 weggerichtet, wobei jeweils ihre Endabschnitte derart abgewinkelt sind, dass sich diese in Axialrichtung überlappen. Somit wird zwischen dem Hysteresering 14 und den Polfingern 3, 4 der innere Luftspalt 15 und der äußere Luftspalt 16 gebildet.
• Da die Polfinger 3, 4 zueinander versetzt angeordnet sind, werden mehrere Durchlassöffnungen 17 gebildet, welche bei der gezeigten möglichen Ausgestaltung gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die miteinander korrespondierenden Durchlassöffnungen 17 bilden dann jeweils einen Kühlluftkanal 18. Auf diese Weise wird eine Zwangsbelüftung der erfindungsgemäßen Hysteresebremse ermöglicht. Bezugszeichen 1 Hysteresebremse
  2 Magnetkörper
  3 außenliegende Polfinger
  4 innenliegende Polfinger
  5 Magnetspule
  6 Anschlusskontakte
  7 Kugellager
  8 Walle
  9 Riemenprofil
  10 Freilauf
  11 Lüfterrad
  12 Lüfterflügel
  13 Leitblech
  14 Hysteresering
  15 innerer Luftspalt
  16 äußerer Luftspalt
  17 Durchlassöffnungen
  18 Kühlluftkanäle
  19 Durchbrüche
  

Claims (12)

1. Hysteresebremse mit einem einen außenliegenden Pol und einen innenliegenden Pol aufweisenden Magnetkörper und mit einem Hysteresering, der radial von dem außenliegenden Pol und dem innenliegenden Pol umgeben ist, sodass ein innerer Luftspalt und ein äußerer Luftspalt vorgesehen ist, wobei der Hysteresering an einem rotierenden Anker befestigt und der Magnetkörper auf einer Welle gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker als Lüfterrad (11) ausgebildet ist und dass zumindest ein geeigneter Kühlluftkanal (18) vorgesehen ist, sodass eine Zwangsbelüftung der Hysteresebremse (1) ermöglicht ist.

2. Hysteresebremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (11) mehrere Durchbrüche (19) etwa im Durchmesserbereich des innenliegenden Pols aufweist.

3. Hysteresebremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der außenliegende Pol und der innenliegende Pol jeweils mehrere Polfinger (3, 4) aufweist, welche von der Welle (8) radial nach außen gerichtet sind.

4. Hysteresebremse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polfinger (3, 4) derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass zwischen den Polfingern (3, 4) mehrere axiale Durchlassöffnungen (17) vorgesehen sind.

5. Hysteresebremse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder in axialer Richtung verlaufende Kühlluftkanal (18) durch die Durchlassöffnungen (17) vorgesehen ist.

6. Hysteresebremse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Durchlassöffnungen (17) größer als die Anzahl der Polfinger (3, 4) ist.

7. Hysteresebremse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftkanäle (18) über den Umfang der außenliegenden bzw. innenliegenden Polfinger (3, 4) verteilt sind.

8. Hysteresebremse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (11) über einen Freilauf (10) mit der Welle (8) gekoppelt ist.

9. Hysteresebremse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (11) mehrere Lüfterflügel (12) aufweist.

10. Hysteresebremse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Lüfterflügeln (12) ein Luftleitelement vorgesehen ist.

11. Hysteresebremse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Lüfterflügeln (12) eine Schwungscheibe vorgesehen ist.

12. Hysteresebremse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einem Ergometer einsetzbar ist.