DE2035781B2

DE2035781B2 - Wirbelstrom- und Hysteresebremse für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE2035781B2
Application number: DE19702035781
Authority: DE
Inventors: Max 5060 Bensberg Baermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-07-18
Filing date: 1970-07-18
Publication date: 1974-08-29
Also published as: ATA568471A; CH541459A; CA933995A; GB1305519A; AT325667B; NL7109927A; ES392654A1; DE2035781A1; BE769683A; NO130633B; SE364152B; NO130633C; FR2098116A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrom- und Hysteresebremse für Schienenfahrzeuge mit einer durch Abstandhaltemittel mit gleichbleibendem Luftspalt gegenüber den die Wirbelströme führenden Teilen geführten Magnetanordnung, die aus einem rnehrschenkligen Eisenkern besteht, bei dem die einzelnen Polschenkel in Bewegungsrichtung mit wechselnder Polarität hintereinander liegend durch ein Joch verbunden sind und auf den einzelnen Sehen- kein die Erregerspulen angeordnet sind und ein die Wicklung überragender Teil des Polschenkels einen Polkopf bildet, der in Bewegungsrichtung gegenüber dem Polschenkel verbreitert ist.

In der deutschen Patentschrift 1 123 359, die sich auf eine dauermagnetische Schienenbremse bezieht, bei der die Bremswirkung zum Teil durch Reibung erzielt wird, wurde bereits erwähnt, daß durch eine größere Anzahl von in Fahrtrichtung angeordneten Polen abwechselnder Polarität in der Schiene Wirbelstrom- und Hystereseverluste entstehen, die die Bremswirkung erhöhen. Bei hohen Geschwindigkeiten treten durch die entstehenden Wirbelströme Verbesserungen in der Bremswirkung ein. Diese Bremsen unterliegen jedoch immer noch einem starken Verschleiß.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist auch bereits eine verschleißfreie Wirbelstrom- und Hysteresebremse für schnell fahrende Schienenfahrzeuge be kanntgeworden, die elektromagnetisch erregte Pole aufweist, deren Polflächen zur Erzeugung der Wirbelströme mit einem dazwischen liegenden Luftspalt der Schiene zugekenrt sind.

Diese bekannte Wirbelstromschienenbremse besteht aus einem mehrschenkligen Eisenkern, bei dem die einzelnen Polschenkel in Bewegungsrichtung mit wechselnder Polarität hintereinander liegend durch ein Joch verbunden sind und auf irn einzdr-·' Schenkeln die Erregerspulen angeordnet sind. '; ·. von der Wicklung umschlossenen Polschenke! ': sitzen etwa quadratischen Querschnitt. Demzufo'. muß auch die Wicklung einen annähernd quadr.-r sehen Querschnitt aufweisen. Durch diese Aus.i dung wird kein zusätzlicher Wickelraum geschaik so daß bei gleicher Amperewindungszahl eine yringere Anzahl von Polen wechselnder Polarität ; Längeneinheit untergebracht werden kann (franz.: sehe Patentschrift 1 537 154).

Wegen des für Schienenbremsen nur begrenzt -: Verfugung stehenden Raumes, vorzugsweise ■/:■■■■ sehen den Fahrzeugrädern des Drehgestells, und <_■■■■ für die Ausbildung von Wirbelströmen ungünstig/ . Form des Schienenkopfes konnten bisher mit d ■■■ bekannten Bremsen ausreichende Bremskräfte nkh: erreicht werden. Da die Tendenz besteht, die Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen ständig zu ι.-, höhen, liegt ein dringende« Bedürfnis nach d.i Schaffung einer verschTeißfreien Bremse für Schic nenfahrzeuge vor, die bei diesen hohen Geschwindigkeiten von mehr als 200 km/h so hohe Bremskraft*, entwickelt, daß eine sichere Abbremsung des Schienenfahrzeuges unter Einhaltung möglichst kurzer Bremswege erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstrom- und Hysteresebremse für Schienenfahrzeuge der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der möglichst hohe Bremskräfte bei relativ kurzer Baulänge der Wirbelstrom- und Hysteresebremse erzielt werden können, so daß eine wirkungsvolle Abbremsung des Schienenfahrzeuges bei den heutzutage angestrebten hohen Fahrgeschwindigkeiten gewährleistet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß die Breite (d) des von der Wicklung umschlossenen Teils des Polschenkels quer zur Bewegungsrichtung gemessen größer ist als der Polkopf, so daß der vom magnetischen Fluß durchsetzte Querschnitt des Polschenkels wenigstens gleich dem Querschnitt des Polkopfes ist, wobei der Mittenabstand (c) zweier benachbarter Polschenkel 45 ± 15 mm beträgt und die Dicke (ft) eines Polkopfes in Bewegungsrichtung gemesser, wenigstens 16 mm beträgt.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausbildung gelingt es, eine magnetische Wirbelstrom- und Hysteresebremse für Schienenfahrzeuge zu schaffen, bei der ein beträchtlicher Wickelraum zui

Unterbringung der notwendigen Amperewindungs- ^ahl zur Erzeugung einer hohen Luftspaltinduktion von 15 000 bis 20 000 Gauß (im Stillstand gemessen) bei geringer Baulänge der Bremse gewonnen wird.

Pie Unterbringung dieser hohen Amperewindungszahl ist deshalb von großer Bedeutung, weil bei dem rauhen Bahnbetrieb zwischen der Schiene, in der die Wirbelströme erzeugt werden, und den Polflächen der Wirbelstrom- und Hysteresebremse ein verhältnismäßig großer Luftspalt vorhanden sein muß, der ία einen hohen magnetischen Widerstand aufweist.

Außerdem gelingt es nach der Erfindung, eine Wirbelstrom- und Hysteresebremse zu schaffen, die bei gegebener Baulänge eine Vielzahl von Polen wechselnder Polarität aufweist und innerhalb des zwischen den Fahrzeugrädern des Drehgestells zur Verfügung siehenden Raumes untergebracht werden kann.

Da die Wirbelstrombremskraft — wenn man von einer konstanten Geschwindigkeit ausgeht — nach der -Lorentz-Beziehung« hauptsächlich von der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Induktion pro Polteilung abhängt, gelingt e-, Bremskraft zu erzielen, die höher und gleichmäßiger sind als diejenigen der bisher bekannten Wirbelstrombremsen gleicher Abmessungen, wobei noch der besondere Vorteil erreicht wird, daß diese Bremskräfte auch über einen weiten Geschwindigkeitsbereich mit Sicherheit eingehalten werden.

Gemäß der Erfindung ist der mittlere Polabstand so gewählt, daß sich unter Berücksichtigung de:; erforJerlichen Wickelraumes besonders günstige Brems kriifie pro Längeneinheit ergeben.

Es wurde weiterhin erkannt, daß der vom magnetischen Fluß durchsetzte Querschnitt der Polköpfe so groß bemessen sein sollte, daß er mehr als 25 " 0, vorzugsweise 35 bis 4O°/o, des Querschnittes des Schienenkopfes beträgt. Durch diese Bemessung der Polkopffläche im Verhältnis zum Querschnitt des Schienenkopfes wird eine relativ große Eindrinitiefe der Kraftlinien in den Schienenkopf erreicht, die zur Bildung von starken Wirbelströmcn führt, so daß eine weitere Verbesserung der Bremskraft erzielt wird. Außerdem wird gleichzeitig der Vorteil erreicht, daß beim seitlichen Pendeln des Schienenfahrzeuges eine konstante Bremskraft aufrechterhalten wird.

Da der Radkranz in bezug auf seine Breite wie auch in radialer Richtung ähnliche Abmessungen aufweist wie die Schienenlauffläche, kann man die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bremsen zur Abbremsung des Fahrzeuges auch auf die Radkränze einwirken lassen, da die Umfangsgeschwindigkeit der Räder der Fahrgeschwindigkeit entspricht.

Es ist besonders vorteilhaft, die Bremsen beidseitig des Radkranzes so anzuordnen, daß ihre Polflächen zum Radkranz hin gerichtet sind, wobei das die Schenkel tragende Joch ringsegnientförmig ausgebildet ist. Durch diese Anbringung wird unter Vermeidung des Verschleißes und der Geräuschbildung gegenüber den Klotzbremsen der besondere Vorteil erreicht, daß der Radkranz gleichmäßig erwärmt wird, so daß bei Rädern mit aufgeschrumpften Radreifen eine Lockerung nicht eintritt. Darüber hinaus heben sich bei doppelter Anbringung der Brem- e₅ sen an einem Radsatz die Anziehungskräfte auf.

Je nach Bauweise des Fahrgestells ist es bei dieser Anordnung vortei'haft, die Bremsen an den abgefederten Teilen zu befestigen, weil sie in dieser Lage keinerlei Rüttelbewegungen ausgesetzt sind.

Es kann selbstverständlich auch eine Anordnung gewählt werden, bei der mehrere Bremseinheiten sowohl auf die Schiene als auch auf die Radkränze der Räder oder deren Bremsscheiben einwirken.

Nachfolgend sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht der ^m nicht abgefederten Teil des Drehgestells über der Schiene angeordneten Wirbelstrom- und Hysteresebremse,

F i g. 2 eine größer dargestellte Teilansicht der Magnetanordnung im Längsschnitt,

F i g. 3 einen Querschnitt durch die Magnetanordnung nach der Linie 1-1 der F i g. 2,

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Laufrades, auf dessen gegenüberliegenden Stirnflächen des Radkranzes zwei Wirbelstrom- und Hysteresebremsen einwirken,

F1 g. 5 eine Seitenansicht auf das Laufrad mit ringsegmentförmig ausgebildeten Wirbelstrom- und Hysteresebremsen,

F i g. 6 ein Diagramm, aus dem iie Bremskraft und die Abhängigkeit von der Geschwindigkeit für eine Bauiänge der Bremse von 1 m ersichtlich ist.

F i g. 7 ein Diagramm, aus dem die auf die Schiene einwirkende Zugkraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit für eine Baulänge der Bremst von 1 m ersichtlich ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wirbelstrom- und Hysteresebremse 1, bei der die eine Hälfte A im ausgeschalteten Zustand und die andere Hälfte B im eingeschalteten Zustand dargestellt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Bremse am nicht abgefederten Teil des Drehgestells 2, wie z.B. an einem Trägerkörper 3, der mil den Lagerböcken 4 verbunden ist, befestigt. Am Gehäuse 5, das teilweise aufgeschnitten ist, sind Führungsstangen 6 befestigt, die durch Bohrungen 7 des Trägerkörpers in vertikaler Richtung beweglich geführt sind. Auf dem über den "1 rägerkörper hinaus:agenden Teil der Führungsstange 6 sitzt eine Schraubendruckfeder 8. die sich mit ihrem unteren Teil an dem Trägerkörper und mit ihrem oberen Ende an einem Federgehäuse 9 abstützt, das mit dem oberen Teil der Führungsstange verbunden ist.

Im Ausschaltzustand (Darstellung A) hat die Bremse unter der Wirkung der Schraubendruckfedei von der Schiene 10 einen größeren Abstand, so daf sie mit ihrem Gehäuse an dem Trägerkörper 3 anliegt.

Wird die Bremse zur Abbremsung cies Schienen fahrzeuges erregt, so tritt zwischen den Polflächen 11 und der Schiene eine Anziehungskraft auf, die di( Bremse ctgegen der Wirkung der Schraubendruck feder 8 in die Arbeitsstellung (Darstellung B) zieht Hierbei dient das Federgehäuse gleichzeitig als Ab Standhaltemittel, indem die untere Fläche 12 de: Federgehäuses sich am Trägei körper 3 abstützt, s< daß ein gleichbleibender Arbeitsluftspalt 21 einge halten wird. Der Abstand der Polflächenil zu SchienenlaufMäche 13 und die Stärke der Gegenkraf der Schraubendruckfeder im abgeschalteten Zustam der Bremse dürfen selbstverständlich nur so groi sein, daß auch im hohen Geschwindigkeitsbereicf

noch genügend große Anziehungskräfte vorhanden Zur Abführung der entstehenden Sttomwärme ist

sind, die sicher ausreichen, um die Bremse in den ein Kühlkörper 30 vorgesehen, der Kühlrippen 31

Einschaltzustand zu senken. aufweist.

Die Enden der Bremse sind mit verschleißfesten Man kann die Wirbelstrom- und Hysteresebremse Kufen 14 versehen, die mit ihrer verschleißfesten 5 nach der Erfindung zur Abbremsung des Schienen-Schleiffläche 24 gegenüber den Polflächen hervor- fahrzeuges auch auf die Radkränze 33 der Räder 35 stehen, um beim Fahren über Unebenheiten während einwirken lassen, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. des Brems Vorganges eine Beschädigung der Pol- Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Wirbelflächen zu vermeiden. strombremsen 1 so beidseitig des Radkranzes 33 an-

Die Ausbildung der Magnetanordnung ist deut- io geordnet, daß die Polflächen 11 der Polschenkel 20

licher aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich. den Stirnflächen 34 des Radkranzes mit einem da-

In der Fig. 2 ist eine größer dargestellte Teil- zwischenliegenden Luftspalt 21 gegenüberstehen,

ansicht der Magnetanordnung im Längsschnitt dar- Hier heben sich die Anziehungskräfte auf.

gestellt, die der Schiene 10 mit dazwischen liegendem Wie aus F i g. 5 ersichtlich ist, ist das die Polschen-

Arbeitsluftspalt 21 gegenübersteht. Die Magnet- 15 kel verbindende Joch 25 ringsegmentförmig ausge-

anordnung besteht aus den einzelnen Polschenkeln bildet, wobei es den gleichen Radius aufweist wie

20, die durch ein Joch 25 verbunden sind. Auf den der Radkranz. Bei dieser Anordnung können die

Polschenkeln ist die Erregerwicklung 26 angebracht. Wirbelstrombremsen auch an den abgefederten

die als Bandwicklung ausgebildet ist, wobei der Teilen des Fahrgestells mit einem verhältnismäßig

Wicklungssinn der Wicklung so vorgenommen wurde, ao kleinen Luftspalt befestigt werden,

daß bei Erregung der Wicklung in den einzelnen Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der die

Schenkeln Pole mit abwechselnder Polarität ent- Bremsen beidseitig des Radkranzes so angeordnet

stehen. sind, daß ihre Polflächen den Laufflächen der auf

Die Wicklungen der einzelnen Polschenkel sind den Radkränzen aufgezogenen Radreifen gegenüber-

durch eine Isolationsschicht 36 voneinander getrennt. 15 stehen.

Jeder Polschenkel setzt sich aus einem Schenkel- Wie aus dem in F i g. 6 dargestellten Diagramm

teil 27, der von der Wicklung umschlossen wird, und hervorgeht, erzeugt die nach der Erfindung vorge-

dem Polkopf 28, der aus der Wicklung hcrausragt, schlagene Bremse bei einer Baulänge von 1 m be-

zusammen, wobei Schenkelteil 27 und Polkopf 28 reits bei einer Geschwindigkeit von 60 km/h eine

vorzugsweise aus einem Stück bestehen. Die Pol- 30 Bremskraft von etwa 300 kp ^ 2943 kgms¹. Wie aus

köpfe sind in eine Platte 29 aus nicht magnetischem, der Kurve »Bremskraft in Abhängigkeit von der

metallischem Werkstoff, z. B. einer Legierung, be- Geschwindigkeit« ersichtlich ist, erhöht sich die

stehend aus 0,06 °/e C, 0,4% Si, 18 % Mn, 13 °/o Cr, Bremskraft noch etwa und bleibt über einen

2,2 °/o Ni und den restlichen Prozent Fe, so einge- großen Geschwindigkeitsbereich von mehr als

lassen und gegebenenfalls verschweißt oder hartver- 35 200 km/h konstant, obwohl die Induktion, wie

lötet, daß die der Schiene zugekehrte Seite der aus der Kurve »Induktion in Abhängigkeit von

Bremse eine ebene Fläche bildet. der Geschwindigkeit« entnehmbar ist. beachtlich

Der Mittenabstand c zweier benachbarter Pol- abfällt.

schenkel soll 45 ± 15 mm betragen, wobei die Diese Werte wurden bei einem Bremsversuch mit

Dicke b des Polkopfes in Bewegungsrichtung gemes- 40 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bremse er-

sen wenigstens 16 mm beträgt. mittelt.

Zur Erzielung eines größeren Wickelraumes ist Das Abfallen der Induktion ist darauf zurückzuder von der Wicklung 26 umschlossene Teil 27 des führen, daß mit zunehmender Geschwindigkeit durch Polschenkels 20 in Bewegungsrichtung gesehen die entstehenden Wirbelströme Magnetfelder z. B. in schmaler ausgebildet als der Polkopf 28, d. h. das 45 der Schiene erzeugt werden, die in ihrer Stärke bis zu Maß α ist !.!einer als das Maß b. Damit der vom einer bestimmten Geschwindigkeit zunehmen und magnetischen Fluß durchsetzte Querschnitt dieses den elektromagnetisch erzeugten Feldern der Bremse Schenkelteils wenigstens gleich dem Querschnitt des entgegenwirken (Ankerrückwirkung). Bei niedrigeren Polkopfes ist, ist der von der Wicklung umschlossene Geschwindigkeiten üben deshalb die elektromagne-Schenkelteil 27 senkrecht zur Bewegungsrichtung ge- 50 tisch erregen Pole der Bremse auf Grund der hohen messen breiter ausgebildet als der Polkopf 28, wie Induktion beachtliche Anziehungskräfte auf die aus der F i g. 3 ersichtlich ist. Die Breite des von der Schiene aus, so daß eine hohe Lagerbelastung aufWicklung umschlossenen Schenkelteils ist mit d be- treten kann.

zeichnet, während die Breite des Polkopfes mit e be- In dem in F i g. 7 dargestellten Diagramm (gezeichnet ist. Daraus ergibt sich, daß der vom magneti- 55 messene Werte) ist die auf die Schiene wirkende sehen Fluß durchsetzte Querschnitt des Schenkelteils Zugkraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit 27 α χ rf wenigstens gleich dem vom magnetischen für eine Bremsenlänge von 1 m wiedergegeben. Au« Fluß durchsetzten Querschnitt des Polkopfes b X e dieser Darstellung ist ersichtlich, daß die Bremse bc ist. einer Geschwindigkeit von etwa 50 km/h eine An

Der vom magnetischen Fluß durchsetzte Quer- 60 ziehungskraft von 1000 kp 0 9810kgms^! auf di<

schnitt der Polköpfe 28 soll so groß bemessen sein. Schiene ausübt. Aus diesem Grunde sind Regel

daß er mehr als 25 °/o, vorzugsweise 35 bis 40 °/o, des und/oder Abschaltmittel vorgesehen, mit denen eirii

Querschnitts des Schienenkopfes 32 beträgt. Durch Regelung des Erregerstromes, z. B. eines von dei

diese Bemessung wird eine verhältnismäßig große Rädern des Schienenfahrzeuges angetriebenen fre

Eindringtiefe der Kraftlinien, insbesondere bei nied- 65 quenzabhängigen Wechselstrom- oder Drehstrom

rigen Geschwindigkeiten erreicht, so daß auch im generators, über Gleichrichter derart erfolgt, daß be

unteren Geschwindigkeitsbereich eine vorteilhafte verminderter Fahrgeschwindigkeit die auftretend«

Verbesserung der Bremskraft erzielt wird. Anziehungskraft nicht die zulässige Lagerbelastun]

t,

überschreitet. Die Regelung bzw. Ein- und Ausschaltung der Bremse kann beispielsweise auch vom Führerstand mittels Druckluft vorgenommen werden, wobei der Druckluflkolben auf bekannte elektrische Schaltelemente einwirkt.

Die restliche Abbremsung bis zum Sl die Standbremsung erfolgen zweckmäß Reibungsbremse, die dann nur noch eine Verschleiß aufweist, daß die Wartungsk lieh reduziert werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wirbelstrom- und Hysteresebremse für Schienenfahrzeuge mit einer durch AbstancJhaltemittel mit gleichbleibendem Luftspalt gegenüber den die Wirbelströme führenden Teilen geführten Magnetanordnung, die aus einem mehrschenkligen Eisenkern besteht, bei dem die einzelnen Polschenkel in Bewegungsrichtung mit wechselnder Polarität hintereinander liegend durch ein Joch verbunden sind und auf den einzelnen Schenkeln die Einsgerspulen angeordnet sind und ein die Wicklung überragender Teil des Polschenkels einen Polkopf bildet, der in Bewegungsrichtung gegenüber dem Polschenkel verbreitert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (d) des von der Wicklung (26) umschlossenen Teils des Polschenkels (20) quer zur Bewegungsrichtung gemessen größer ist als der Polkopf (28), so daß der vom magnetischen Fluß durchsetzte Querschnitt des Polschenkels wenigstens gleich dem Querschnitt des Polkopfes ist, wobei der Mittenabstand (c) zweier benachbarter Polschenkel 45 + 15 mm beträgt und die Dicke (b) eines Polkopfes in Bewegungsrichtung gemessen v.'enigstens 16 mm beträgt.

2. Oberhalb des Schienenkopfes angeordnete Wirbelstrom- und Hysteresebremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom magnetischen Fluß durchsetzte Querschnitt der Polköpfe (23) so groß bemessen ist, daß er mehr als 25 °/o, vorzugsweise 35 bis 40 °/o, des Querschnittes des Schierienkopfcs (32) beträgt.

3. Wirbelstrom- und F 'steresebremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die- js selbe beidseitig des Radkranzes (33) mit ihren Polflächen (11) den Stirnflächen (34) des Radkranzes gegenüberstehend angeordnet ist, wobei das die Schenkel (20) tragende Joch (25) ringsegmentförmig ausgebildet ist. 4a

4. Wirbelstrom- und Hysteresebremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe beidseitig des Radkranzes (33) mit ihren Polflächen (11) der Lauffläche des Radreifens gegenüberstehend angeordnet ist, wobei das die Schenkel (20) tragende Joch (25) ringsegmentförmig ausgebildet ist.