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Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrombremse, insbesondere Retarder, mit Permanentmagneten gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Eine Wirbelstrombremse ist eine verschleißfreie Bremse, die Wirbelstromverluste von in Magnetfeldern bewegten Metallscheiben (Rotoren) zur Bremsung nutzt, insbesondere in LKW und Bussen. Eine Wirbelstrombremse basiert auf dem folgenden Prinzip: Bewegt sich eine Metallplatte in einem inhomogenen äußeren Magnetfeld relativ dazu, werden in ihr Spannungen und in der Folge Wirbelströme induziert, die ihrerseits eigene, dem äußeren Magnetfeld gemäß der lenzschen Regel entgegengesetzte Magnetfelder erzeugen, die die Platte abbremsen. Die Quelle des äußeren Magnetfelds kann ein Permanent- oder Elektromagnet sein.
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Retarder mit Elektromagneten zur Erzeugung in des äußeren Magnetfeldes sind einfach und stufenlos zu regeln durch Variation des durch Elektromagneten fließenden Stromes. Nachteilhaft ist allerdings, dass zur Erzeugung der benötigten magnetischen Felddichten Elektromagnete benötigt werden, die ca. zwei- bis dreimal soviel wiegen wie geeignete Permanentmagnete. Ferner müssen erhebliche elektrische Ströme und Kapazitäten im Fahrzeug bereitgestellt bzw. gespeichert werden, was sich mehrfach nachteilig auf den Energieverbrauch des Motors auswirkt, nämlich durch das höhere Gewicht für die Elektromagnete und Batterien, sowie die vom Motor aufzubringende elektrische Leistung.
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Wirbelstrombremsen, welche lediglich mit Permanentmagneten arbeiten, haben den Vorteil, dass sie leichter und betriebssicherer sind und insbesondere bei Ausfall der Stromquelle funktionieren. Jedoch ist eine mechanische Konstruktion zum Heranführen der Metallplatte/Metallscheibe an das Magnetfeld nötig. Bislang sind lediglich sogenannte Transversalflussmaschinen einschlägig, bei denen ein Magnetfluss erzeugt wird, der in einer zur Drehachse der Maschine senkrechten Ebene verläuft. Die Feldlinien der Permanentmagnete treten also im Wesentlichen radial zur Drehachse aus.
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Eine derartige Transversalflussmaschine mit Permanentmagneten ist in
DE 4116160 A1 beschrieben. Dabei weist der mit dem Antrieb über eine Welle verbundene Rotor in seinem Umfangsbereich eine ringförmige, zur Welle hin konzentrische Polstruktur auf, die zwischen einen umlaufenden äußeren und inneren Statorteil in axialer Richtung hereingeschoben werden kann, um die Wirbelstrombremse zu aktivieren.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik weiter entwickelte, zuverlässig funktionierende Wirbelstrombremse, insbesondere für KFZ zu schaffen. Vorzugsweise soll die Wirbelstrombremse einen erhöhten Sicherheit oder Komfort bieten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wirbelstrombremse mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Wirbelstrombremse, insbesondere Retarder, mit Permanentmagneten weist zunächst die aus dem Stand der Technik bekannten Merkmale auf. Als im wesentlichen rotationssymmetrisches Bauteil in axialer Bauweise, umfasst dieses einen sich senkrecht zu einer durch die Wirbelstrombremse verlaufenden Achse erstreckendem Träger, auf welchem die Permanentmagnete in Umfangsrichtung um die Achse herum angeordnet sind, und einen sich senkrecht zu der Achse erstreckenden elektrisch leitfähigen Metallkörper, in dem durch Magnetfelder Wirbelströme erzeugt werden können, welche einer Umdrehung relativ zum Träger in Bezug auf die Achse entgegenwirken können. Zur Erzeugung eines Wirbelstroms kommt es lediglich auf eine relative Drehung der beiden Bauteile zueinander um die Achse an, das heißt der Träger und/oder der Metallkörper sind drehbar. Das drehbare Bauteil ist auf einer in der Achse liegende Welle drehfest befestigt, welche wiederum drehbar in der Wirbelstrombremse gelagert ist. Einer der beiden Bauteile, also der Träger oder der Metallkörper sind in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist, sodass in unterschiedlichem Maße Wirbelströme im Metallkörper erzeugt werden können. Dazu sind Stellmittel zum Verschieben vorgesehen.
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Als erfindungsgemäße Neuerung ist nun vorgesehen, dass die Permanentmagnete derart am Träger angeordnet sind, dass der Austritt der magnetischen Feldlinien aus den Permanentmagneten in Richtung zum Metallkörper im Wesentlichen in Richtung der Achse erfolgt und/oder deren Orientierung, also die Richtung von einem magnetischen Südpol zu einem magnetischen Nordpol (N) des jeweiligen Permanentmagneten, parallel zur Achse (A) ausgerichtet sind. Vereinfacht ausgedrückt liegt die Erfindung darin, dass bei der aktivierten Wirbelstrombremse ein in axialer Richtung verlaufender Magnetfluss im Spalt zwischen Permanentmagnet und Metallkörper existiert. Im Fall von magnetisch wirksamen Anbauteilen zum Magneten, wird erfindungsgemäß das nach außen magnetisch wirkende Gesamtsystem, bestehend aus dem eigentlichen Permanentmagneten und den magnetflussvertärkenden bzw. -konzentrierenden Anbauteilen, z. B. Polplatten, als „Permanentmagnet” im Sinne der Erfindung verstanden. Erfindungsgemäß wird somit eine verbesserte Wärmeabfuhr in Bezug auf die Metallkörper bewirkt und es ist nur ein vergleichsweise geringer Verfahrweg in axialer Richtung nötig.
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Zur Erzeugung eines Wirbelstroms sind beliebige, also auch unmagnetisierbare Metalle geeignet sind, sofern sie eine gute elektrische Leitfähigkeit haben. Vorzugsweise ist aber der Metallkörper ferro- oder paramagnetisch. Insbesondere ist der Metallkörper aus Weicheisen, einem weichmagnetischer Werkstoff aus unlegiertem Eisen, welcher eine temporäre Magnetisierung durch ein äußeres Magnetfeld erlaubt, ohne zu einer permanenten Magnetisierung zu führen. Alternativ ist das Material des Metallkörpers aus der Gruppe der MU-Metalle, wie z. B. weichmagnetische Nickel-Eisen Legierungen ausgewählt. Bei aktivierter Wirbelstrombremse entstehen somit in axialer Richtung erhebliche Anziehungskräfte zwischen den Permanentmagneten des Trägers und dem Metallkörper. Die Wirbelstrombremse neigt daher zum Bremsen, sofern sich permanent Magnete und Metallkörper im Anziehungsbereich befinden. Bei entsprechender Auslegung der Steuerungsmittel kann beispielsweise sichergestellt sein, dass im Notfall ( Stromausfall, Hydraulikausfall, Druckluftausfall) die Bremse selbsttätig anzieht. Ein geeignetes Stellmittel, welches die Anziehung besonders gut ausnutzt, wird im folgenden erläutert: Vorzugsweise sind die Stellmittel als Hydrauliksystem ausgeführt. Insbesondere wirkt das Hydraulikfluid nicht über Stellstangen indirekt auf die zu verfahrenen Bauteile, sondern die Bauteile bilden selber den Kolben des Hydrauliksystems. Dazu ist die Wirbelstrombremse beziehungsweise das Gehäuse derselben abschnittsweise als Druckzylinder ausgebildet und das in axialer Richtung verfahrbare Bauteil, also der Träger oder Metallkörper, ist als im Druckzylinder geführter Kolben ausgebildet. Diese Lösung bietet den Vorteil, dass das Hydraulikfluid gleichzeitig als Stellmittel und Kühlmittel dient. Als Zuführung des Hydraulikfluids können zum Beispiel im Druckzylinder Durchlässe vorgesehen sein, zum Beaufschlagen eines Bereichs des Druckzylinders mittels eines als Stellmittel wirkenden Hydraulikfluids. Wegen der vergleichsweise geringen Drücke ist ein spezielles Hydrauliköl nicht zwingend erforderlich, das heißt es kann auch eine normale Kühlflüssigkeit verwendet werden, die üblicherweise nicht als Hydraulikmittel eingesetzt wird. Somit kann der Fachmann bei der Auswahl des Fluids den Schwerpunkt auf die Kühleigenschaften des Fluids legen.
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Die abzuführende Wärme entsteht in erster Linie im Metallkörper, in welchem die Wirbelströme fließen. Daher ist auf der den Permanentmagneten abgewandte Seite des Metallkörpers eine, insbesondere durch Rippen, vergrößerte Oberfläche vorgesehen, welche mit einem Kühlfluid, vorzugsweise dem Hydraulikfluid, in Verbindung steht zur Abfuhr der durch die Wirbelströme im Metallkörper erzeugten Wärme. Im Gegensatz zu Transversalflussmaschinen steht dabei in diesem Bereich viel Bauraum zur Verfügung, um durch ausreichend dimensionierte Rippen und ausreichend Volumen für das Hydraulikfluid die Wärme aus den Metallkörpern abführen zu können. Eine effektive Wärmeabfuhr ist bei der Verwendung von Permanentmagneten besonders wichtig, da diese bei zu hohen Temperaturen einen Teil ihrer Magnetkraft verlieren.
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Zur effektiveren Kühlung, welche bei der Verwendung von Permanentmagneten besonders wichtig ist, kann der rückseitige Teil des Druckzylinders des Gehäuses der Wirbelstrombremse im Bereich hinter der Rückseite des Metallkörpers eine vergrößerte, den Wärmeaustausch fördernde Oberfläche, beispielsweise Kühlrippen aufweisen. Dadurch wird die vom Hydraulikfluid aufgenommene Wärme schneller an das Gehäuse weitergegeben und kann von dort mittels eines weiteren Kühlsystems abgeführt werden. Es wird daher vorgeschlagen, ein Kühlsystem mit einem inneren Kühlkreislauf (zwischen Metallkörper und Gehäuse mittels Hydraulikfluid) und einen externen Kühlkreislauf (zwischen Gehäuse und externen Kühler, insbesondere mittels eines Kühlmittel oder Luftkühlung des mit Kühlrippen versehenen Gehäuses, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Gewässers) vorzusehen.
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Vorzugsweise weist die den Permanentmagneten zugewandte Seite des Metallkörpers glatte ebene Oberfläche auf, damit die induzierten Wirbelströme störungsfrei fließen können. Ferner bietet eine glatte Oberfläche wenig Gegenstand für zirkulierendes/rotierendes Hydraulikfluid, welches sich somit in weniger in dem wärmekritischen Bereich in der Nähe der Permanentmagnete erwärmt.
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Zweckmäßigerweise liegen in der Regel die Permanentmagnete in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zu der Achse und/oder sind die Permanentmagnete fest und unbeweglich im Träger befestigt.
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Bevorzugt weist der Permanentmagnet moderne magnetische Werkstoffe unter Verwendung seltener Erden, insbesondere MO-, NdFeB- oder Samarium-Cobald-Magnete, auf. Diese haben eine besonders hohe magnetische Flussdichte.
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Als bevorzugte Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Träger als mit der Welle verbundener Rotor ausgebildet ist; und/oder der Metallkörper als Stator und im Druckzylinder geführter Kolben ausgebildet ist. Dies erlaubt eine effektivere Kühlung des Metallkörpers, der sich nicht drehen muss. Andernfalls würde das Hydraulikfluid ununterbrochen stark durchmischt und somit erwärmt.
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Bei dieser Bauform kann die Welle druckdicht, aber axial verschiebbar durch den Metallkörper geführt sein, damit ist es möglich, die Welle zu beiden Seiten des Gehäuses zu lagern, Die Welle muss also nicht vor dem Metallkörper enden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass zu beiden Seiten des Trägers Metallkörper angeordnet werden können, was bei kompakter Bauform das Bremsmoment verdoppelt.
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Vorzugsweise sind zwei Bereiche des Druckzylinders mit entsprechenden Durchlässen zum Beaufschlagen mittels der als Stellmittel wirkenden Hydraulikflüssigkeit vorgesehen. Diese dienen zum Anschluss der Hydraulikleitungen und/oder Elektroventilen, Der ersten Bereich ist dabei so ausgebildet, dass das eingepresste Hydraulikfluid den Träger und Metallkörper voneinander trennt und umfasst somit den Bereich zwischen Träger und Metallkörper. Sobald eine ausreichende magnetische Kraft zwischen Träger und Metallkörper besteht, entsteht ein dazu proportionaler Druck im Hydraulikfluid, vom Abstand zwischen Träger und Metallkörper abhängt. Über eine Drucksteuerung am entsprechenden Durchlass kann somit ist der Abstand errechnet und eingestellt werden. Der zweite Bereich ist so ausgebildet, dass das eingepresste Hydraulikfluid den Träger und Metallkörper zusammenführt und umfasst somit in den Raum im Bereich der Rückseite, also der den Träger abgewandten Seite, des Metallkörpers. Vorzugsweise dort auch der zweite Bereich drucküberwacht.
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Zu diesem Zweck sind vorzugsweise die Durchlässe mit einer Hydrauliksteuerung verbunden, insbesondere unter Verwendung von Druckwächtern, Elektroventilen und/oder einer CPU. Diese Bauteile sind vorzugsweise derart ausgelegt ist, dass aus der Höhe des Drucks, welcher sich im ersten Bereich für das Hydraulikfluid aus der magnetischen Anziehungskraft zwischen dem ferro- oder paramagnetischen Metallkörper und den Permanentmagneten ergibt, der Abstand zwischen dem ferro- oder paramagnetischen Metallkörper und dem Permanentmagneten ermittelt werden kann und somit ein definierter Abstand durch Steuerung des Drucks des Hydraulikfluid eingestellt werden kann. Es versteht sich, dass für ein definiertes axiales Verschieben der als Kolben ausgelegten Metallkörper eine Überwachung des Druckes in beiden Bereichen notwendig sein kann. Dies gilt zumindest für die weiter unten beschriebene spiegelsymmetrische Ausführungsform mit zwei als Kolben ausgelegten Metallkörpern links und rechts vom Träger. Dabei ist es nötig, einen dritten Bereich im Druckzylinder zu definieren, der Spiegel symmetrisch zum zweiten Bereich angeordnet ist und entsprechend betrieben wird. Die Überwachung des Druckes im zweiten und dritten Bereich ist er deswegen zwingend erforderlich, da anderenfalls zum Beispiel der linke Kolben durch die magnetischen Anziehungskräfte nach links vollständig an den Träger herangezogen werden könnte, unter Verschiebung des rechten Kolben des nach rechts. Dieses hängt damit zusammen, dass der erste Bereich sowohl den Bereich links, als auch rechts vom Träger umfasst. Eine alternative Steuerung könnte dadurch gegeben sein, dass der erste Bereich in zwei Druck dicht voneinander getrennte Teilbereiche unterteilt ist, was allerdings aufgrund der permanent rotierenden Trägerscheibe zu Dichtigkeits- und Verschleißproblemen führt.
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Sinnvollerweise haben die in Umfangsrichtung benachbarte Permanentmagnete auf der dem Metallkörper zugewandten Seite wechselnde Polaritäten und/oder eine entgegengesetzte Orientierung. Dies ist Voraussetzung für die Ausbildung eines über den Metallkörper geschlossenen magnetischen Flusses.
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Vorzugsweise sind benachbarte Permanentmagnete auf der dem Metallkörper abgewandten Seite über eine ferro- oder paramagnetische Brücke verbunden sind nach Art eines Hufeisenmagneten. Aber dieses dient dem geschlossenen magnetischen Fluss, der zusammen mit dem in den Einflussbereich gebrachte Metallkörper einen Ring bildet.
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Vorzugsweise ist in einer besonders einfachen Bauweise der Träger als rotationssymmetrisches Bauteil, zum Beispiel Scheibe, ausgebildet, in welche die Permanentmagnete eingesetzt oder aufgesetzt sind. Wenn dabei der Träger eine Rotation symmetrischer Grundkörper aus ferro- oder paramagnetischem Material ist, können die Permanentmagnete besonders sicher an der dem Metallkörper zugewandten Seite aufgesetzt oder in entsprechender Vertiefungen eingesetzt sein. Der geschlossene magnetische Fluss zwischen benachbarten Permanentmagneten ist damit sichergestellt. Je nach Anwendungsfall können die Magnete in entsprechender Vertiefungen in der Scheibe – vorzugsweise bündig mit der Oberfläche – eingesetzt sein, wobei ein dünner Luftspalt oder ein dünner mit unmagnetisierbarem Material gefüllter Spalt um den Umfang des Magneten herum verbleibt. Das den Magnet umgebende Material wirkt sich positiv auf den Magnetfluss aus. Alternativ können die Magnete unmittelbar auf der para- oder ferromagnetischen Scheibe aufgesetzt sein, wobei zur sicheren Befestigung gegebenenfalls der zwischen den Magneten liegende freie Bereich mit einem unmagnetisierbaren Material ausgefüllt sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die einzelnen Magnete in Sandwichanordnung zwischen zwei Flacheisenpolen angeordnet, wobei sich die Orientierung der einzelnen Magnete, also die Verbindungslinie zwischen magnetischem Nordpol und Südpol in Umfangsrichtung des Trägers beziehungsweise der Scheibe erstreckt. Auch hierbei erfolgt der Austritt der magnetischen Feldlinien aus den Permanentmagneten zu beiden Seiten des Trägers in axialer Richtung zu den Metallkörpern , wobei hier das Gesamtsystem bestehend aus dem eigentlichen Permanentmagneten und den Polplatten den Permanentmagnet im Sinne der Erfindung bildet. Benachbarte Magnete in Sandwichanordnung können mit gegenläufiger Orientierung nebeneinander in Umfangsrichtung mit einem Abstand zueinander oder sich einander berührend angeordnet sein, letzteres vorzugsweise unter Verwendung gemeinsamer Polplatten, wobei zum Beispiel die rechte Polplatte des linken Magneten gleichzeitig die linke Polplatte des rechten Magneten bildet, also in „Kammanordnung”. Die Polplatten sind aus para- oder ferromagnetischem Material und sind in axialer Richtung des Trägers von diesem weg leicht versetzt zum Magneten angeordnet für optimalen Magnetfluss, Der Träger sollte dabei vorzugsweise aus unmagnetisierbarem Material, z. B. Edelstahl, Messing, Aluminium, etc sein.
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Vorzugsweise ist die Wirbelstrombremse spiegelsymmetrisch zum Träger aufgebaut, wobei in axialer Richtung zu beiden Seiten des Trägers jeweils ein Metallkörper vorgesehen ist und der Träger derart ist, dass der Austritt der magnetischen Feldlinien aus den Permanentmagneten zu beiden Seiten des Trägers in axialer Richtung auf die Metallkörper zu erfolgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist mit der Welle eine Pumpe zum Aufbau des Drucks des Hydraulikfluids verbunden. Die Betätigung der Wirbelstrombremse ist somit unabhängig von externen Energiequellen, wie zum Beispiel der Strom- oder Hydraulikversorgung des Fahrzeugs. Solange das Fahrzeug fährt, dreht die Welle und damit die Pumpe. Bevorzugt ist eine besonders einfache Ausführungsform, bei der eine um die Welle sich erstreckenden Förderschnecke, welche mit dieser drehfest verbunden ist und in einem entsprechenden Raum des Gehäuses der Wirbelstrombremse angeordnet ist.
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Vorzugsweise weist das rotierende Bauteil, vorzugsweise der Träger mit den Permanentmagneten Fördermittel zum Zirkulieren des Hydraulikfluids auf. Dieses können einfache Widerstände auf der Oberfläche sein. Bevorzugt ist allerdings, dass diese Fördermittel eine kreisförmige Zirkulation der Flüssigkeit von einer Seite der Scheibe zur anderen ermöglicht. Dies kann beispielsweise durch umlaufende Schaufeln, ähnlich eines Turbinenrings erfolgen, wobei die äußeren Schaufeln einen Flüssigkeitsstrom in einer ersten axialer Richtung und die inneren Schaufeln einen Flüssigkeitsstrom in einer zweiten axialen Richtung, die der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist, bewirken. Dabei sind die Förderleistungen des inneren und äußeren Schaufelrings derart aufeinander abgestimmt, dass beide Ringe ein vergleichbares Volumen fördern. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der innere Ring eine entsprechend größere radiale Ausdehnung als der innere Ring haben.
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Der Träger oder die Anbauteile, Polplatten, etc sind insbesondere aus den Materialien, die in Zusammenhang mit dem Metallkörper angegeben sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Ebenso können die vorstehend genannten und noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsbeispiele sind nicht abschließend zu verstehen und haben beispielhaften Charakter. Dabei zeigen
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1 eine Prinzipskizze der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Wirbelstrombremse in einfacher Ausführung und
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2 eine perspektivische Ansicht eines Mehrfachschnittes der Wirbelstrombremse in spiegelsymmetrischer Ausführung.
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1 zeigt das Gehäuse einer erfindungsgemäßen Wirbelstrombremse mit einer durch das Gehäuse verlaufenden Rotationsachse A. Entlang der Achse A verläuft die – vorliegend nur einseitig – aus dem Gehäuse herausgeführte Welle W, die mit dem Antrieb des Kraftfahrzeuges verbunden ist, was durch den Momentenpfeil angedeutet wird. Auf der Welle W befindet sich drehfest angebracht ein – hier scheibenförmig ausgeführter – Träger 10, in dem Permanentmagnete 11, 12 angeordnet sind. Die nicht eingezeichneten Feldlinien der Permanentmagnete 11, 12 verlassen deren Oberfläche im Wesentlichen in Richtung parallel zur Achse A. Das Merkmal „parallel” ist nicht streng im Sinne der Geometrie zu verstehen und dient vielmehr der Abgrenzung zu den eingangs als Stand der Technik beschriebenen Transversalflussmaschinen mit einem Magnetfluss, welcher sich in einer Ebene senkrecht zur Achse A, also eher radial zu dieser, erstreckt. In 1 sind im Schnitt lediglich exemplarisch zwei Magnete 11, 12 dargestellt, es handelt sich aber um eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Magneten, mit sich abwechselnder Polarität.
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Benachbarte Permanentmagnete 11, 12 sind trägerseitig über ferro- oder paramagnetische Werkstoffe miteinander verbunden, so dass sich auf der dem Träger abgewandten Seite zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 11, 12 ein unmittelbarer, also nicht über einen Spalt verlaufender magnetischer Fluss ergibt, der dem eines Hufeisenmagneten ähnlich ist. Das vorliegende Flussbild entspricht allerdings wegen der Vielzahl von Permanentmagneten dem von mehreren miteinander nebeneinander gleichpolig verbundenen Hufeisenmagneten.
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Wenn sich die Welle W dreht, erzeugt diese in der parallel zum Träger 10 angeordneten metallischen Scheibe 21 Wirbelstöme. Die Stärke der Wirbelströme und damit das von der Welle W aufgenommene Bremsmoment ist – bei gleichbleibender Relativdrehgeschwindigkeit – abhängig von der Entfernung zwischen den freien Enden der Magnete 11, 12 und der Metallscheibe 21. Zur Regulierung des Bremsmomentes sind Stellmittel SM, zum Beispiel in Form von Führungs-, Verfahrstangen und/oder Gewindestangen vorgesehen. Das Bremsmoment kann somit stufenlos variiert werden.
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Die Stellmittel können allerdings auch durch eine Hydrauliksteuerung realisiert werden, wie in Zusammenhang mit 2 eingehend erläutert. Die in 1 dargestellten Stellmittel würden dann beispielsweise lediglich als Führungsstangen zum Verhindern des Verkanten bzw. Verdrehend der Scheibe 21 dienen. Die Auswahl der Stellmittel ist unabhängig von der dargestellten Bauform.
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Im Hohlraum des Gehäuses der Wirbelstrombremse zirkuliert ein Kühlmittel, welches insbesondere die den Permanentmagneten abgewandte Seite der metallischen Seite 21 umfließt. In diesem Bereich sind zweckmäßigerweise nicht dargestellte Kühlrippen an der metallischen Scheibe 21 angebracht. Das Kühlmittel kann dabei durch einen externen Kühler, welcher zum Beispielbestandteil des Kühlsystems eines KFZ ist geleitet werden. Das Kühlmittel kann aber auch lediglich im Inneren des Gehäuses zirkulieren und somit die Wärme von der metallischen Scheibe zum Gehäuse befördern.
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Eine entsprechende Umwälzvorrichtung, beispielsweise unmittelbar an der Welle W befestigt (nicht dargestellt) ist vorzugsweise anzubringen, was für sämtliche Bauformen gilt.
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Die den Permanentmagneten 12, 12 zugewandte Seite der metallischen Scheibe 21 ist plan und parallel zu der von den freien Enden der rotieren Permanentmagneten aufgespannten Ebene, um die Wirbelströme nicht zu beeinträchtigen. Da im Betriebszustand, wenn die maximale Wärme durch die Wirbelströme in der Metallscheibe 21 entstehen, der Spalt zwischen Träger 10 bzw. Permanentmagneten 11, 12 und der Metallscheibe 21 nur sehr gering ist, in der Regel in der Größenordnung von 0,1–2 mm, muss die Kühlleistung auf der abgewandten Seite der metallischen Scheibe stattfinden.
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2 zeigt eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung mit einer durch die gesamte Wirbelstrombremse durchgehenden Welle W, was allerdings technisch nicht zwingend erforderlich ist. Die Welle W muss sich zwingend lediglich bis zum Träger 10 erstrecken. Auf der Welle W ist drehfest der Träger 10 mit den Permanentmagneten 11, 12 angebracht. Die konkrete Form des Trägers ist nicht auf die dargestellte Bauweise beschränkt; es kommt lediglich darauf an, dass die Magnete in geeigneter Form befestigt sind, so das sich an der vom Träger wegweisenden Seite zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 11, 12 ein unmittelbarer, also nicht über einen Spalt verlaufender magnetischer Fluss ergibt, der dem eines Hufeisenmagneten ähnlich ist. Die Permanentmagnete sind dabei so angeordnet, dass sie einen Magnetfluss zu beiden Seiten des Trägers in axialer Richtung aufweisen.
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Da vorliegend zu beiden Seiten des Trägers 10 die Metallscheiben 21 und 22 verfahrbar angeordnet sind, ist ein höheres Bremsmoment erzielbar. Vereinfacht ausgedrückt, handelt es sich bei der Ausführungsform gemäß 2 um eine in axialer Richtung zum Träger 10 gespiegelte Version der aus 1. Der Begriff „Spiegelung” ist hierbei nicht in dem Sinne zu verstehen, dass der linke und der rechte Teil vollständig identisch sind.
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Vielmehr kommt es darauf an, dass zu beiden Seiten des Trägers gleichwirkend Metallscheiben 21, 22 vorgesehen sind, die sich gleichermaßen am Bremsmoment beteiligen.
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Die beiden Metallscheiben 21, 22 sind über Führungsstangen F axial verschiebbar, aber verdrehsicher gelagert. Die Steuerung des Verfahrwegs und somit des Abstandes zwischen den Scheiben 21, 22 und dem Träger 10 erfolgt mittels eine Hydrauliksteuerung und eines Hydraulikfluids, welches über die Einlässe D1, D2 und D3 zugeführt wird. Die Scheiben 21, 22 sind dabei in einem nach Art eines Druckzylinders D ausgeführten Gehäuse so gelagert, dass sie als Druckkolben betrieben werden können. Beispielsweise sorgt das auf der dem Träger 10 abgewandten Seite der Scheibe 21, 22 über die Öffnungen D2 und D3 zugeführte Hydraulikfluid dafür, dass sich die Scheiben 21, 22 auf den Träger zu bewegen. Eine Umkehrung der Verschiebung ergibt sich dann, wenn über die Öffnung D1 der den Träger umgebende Raum des Druckzylinders D mit Hydraulikfluid beaufschlagt wird. Im Zusammenspiel mit der nicht dargestellten Hydrauliksteuerung sowie Elektroventilen, die die Durchlässe D1, D2 und D3 steuern, ergibt sich eine sehr genaue Einstellung des Abstandes zwischen den Permanentmagneten des Trägers und den Scheiben 21, 22.
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Da im Ausführungsbeispiel die metallischen Scheiben 21, 22 ferro- oder paramagnetisch sind, wirken bei einer gewissen Annäherung an die Permanentmagnete erhebliche Anziehungskräfte. Diese erzeugen eine Druck auf das in dem entsprechenden Bereich zwischen den beiden Scheiben 21, 22 befindlichen Hydraulikfluids. Der am Durchlass D1 anstehende und gemessene Druck ist somit direkt proportional zu den wirkenden Magnetkräften. Daraus kann der Abstand zwischen den freien Enden der Permanentmagnete und der zugewandten Oberfläche der Metallscheiben ermittelt werden. Versuche haben gezeigt, dass die Steuerung der Bremsmomente im Wesentlichen in einem sehr schmalen Bereich von 0,2 bis 1,5 mm Abstand zwischen Permanentmagnet und Scheibe stattfinden. Die Messung des Hydraulikdrucks erlaubt eine wesentlich genauere Auflösung der Abstände.
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Schließlich ist in 2 zu erkennen, dass die Welle W mit einer Schnecke P, die als Hydraulikpumpe dient, verbunden ist. Diese ist in einem entsprechend gestalteten Hohlraum R des Gehäuses der Wirbelstrombremse angeordnet und Kanälen K zum Zu- And Abführen des Hydraulikfluids.
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Die in den 1 und 2 dargestellten Träger 10 sind lediglich schematisch zu verstehen und der Fachmann wird aufgrund bekannter Auslegungsregeln auf dem Gebiet magnetischer Bauteile und von Wirbelstrombremsen zweckmäßige Anordnungen finden. Einige besonders vorteilhafte Anordnungen sind nachfolgend beschrieben. Diese können als einfacher, einseitig wirkender Träger 10 (s. 1) oder als eine Seite des beidseitig wirkenden Trägers 10 (s. 2) dienen.
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3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Trägers 10 mit aufgesetzten Permanentmagneten 11, 12, welche in Umfangsrichtung wechselnde Orientierung haben. In die Magnete sind auf einen para oder ferromagnetischen Material, zum Beispiel Stahl, unmittelbar aufgesetzt, welches vorliegend den mechanisch belastbaren Grundkörper 101 des Trägers 10 bildet. Der freie Raum zwischen den unmittelbar auf den Grundkörper 101 aufgesetzten Magneten 11, 12 ist teilweise mit einem magnetisch neutralen Material 102, zum Beispiel Kunststoff oder Messing ausgefüllt, welches der weiteren Befestigung der Magnete 11, 12 dient. Je nach Anforderung an Strömungswiderstand und Wärmeabfuhr kann das Material 102 auch bündig bis an die Oberfläche der Magnete 11, 12 heranreichen.
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Zwei umlaufende, gegenläufige Ringe 105, 106 mit Schaufeln, ähnlich einem Turbinenring, sorgen für eine Zirkulation des Hydraulikfluids um die Scheibe 10 herum. Die äußeren Schaufeln 105 wie wirken einen Flüssigkeitsstrom in einer ersten axialer Richtung R1 und die inneren Schaufeln 106 einen Flüssigkeitsstrom in einer zweiten axialen Richtung R2, die der ersten axialen Richtung R1 entgegengesetzt ist. Um ähnliche Förderleistungen in beide Richtungen R1 und R2 zu erzielen, hat der innere Ring 106 eine entsprechend größere radiale Ausdehnung als der innere Ring 105.
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Nicht dargestellt ist hier der Fall, dass der Träger zu beiden Seiten permanent Magnete trägt, wie bei der symmetrischen Ausführungsform. Dabei können zwei der gezeigten Träger 10 mit deren zueinander zugewandten Rückseiten eingesetzt werden. Um einen möglichst hohen magnetischen Fluss aufrechtzuerhalten, kann es allerdings notwendig sein, einen unmittelbaren Kontakt der beiden magnetisierbaren Grundkörper 101 zu verhindern, beispielsweise durch eine dazwischen gelegte nichtmagnetisierbare Trennscheibe, zum Beispiel aus Kunststoff. Dabei ist offensichtlich, dass der beidseitig wirkender Träger 10 in Bezug auf die beiden Schaufelringe 105, 106 nicht symmetrisch sein dürfen.
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Die 4a und 4b zeigen die Anordnung der Permanentmagnete in Sandwichanordnung auf dem Träger in Seiten- und Aufsicht. Der Träger istg hier aus unmagnetisierbarem/unmagnetischem Material, z. B. Edelstahl, Messing, Aluminium.
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4a zeigt, dass die einzelnen Magnete 11, 12 in Sandwichanordnung zwischen zwei Flacheisenpolen 13, 14 angeordnet sind, wobei sich die Orientierung N, S der einzelnen Magnete 11, 12, also die Verbindungslinie zwischen magnetischem Nordpol N und Südpol S in Umfangsrichtung der Scheibe 10 erstreckt. Benachbarte Magnete 11, 12 in Sandwichanordnung sind in 4a mit gegenläufiger Orientierung nebeneinander in Umfangsrichtung mit einem Abstand zueinander angeordnet.
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In 4b sind diese Magnete in Sandwichanordnung dagegen einander berührend unmittelbar nebeneinander angeordnet, wobei gemeinsame Polplatten 15 vorgesehen sind, bei denen beispielsweise die rechte Polplatte des linken Magneten 11 gleichzeitig die linke Polplatte des rechten Magneten 12 bildet, also in einer Kammanordnung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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