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Stufenlos regelbare verschleißfreie dauermagnetische
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Wirbelstrom- und/oder Hysteresebremse, vorzugsweise für Schienenfahrzeuge
Schienenfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf eine stufenlos regelbare verschleißfreie
Wirbelstrom- und/oder Hysteresebremse, vorzugsweise für Schienenfahrzeuge, die aus
einem oder mehreren gleichartigen Elementen zusammengesetzt ist, die in Richtung
der Bewegung aneinanderliegend befestigt sind.
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Es ist eine einstellbare Hysteresebremse bekannt, bei der zwei im
gleichen Sinne magnetisierte Ringmagnete gegeneinander drehbar sind, um das magnetische
Feld, das zur Bremsung dient, auf Null oder auf ein Maximum zu bringen. Mit einer
derartigen Magnetanordnung können nur geringe Bremskräfte erzeugt werden. Diese
bekannten Hysteresebremsen wurden deshalb bisher für Garnwinden verwendet, um eine
möglichst gleichbleibende Fadenspannung beim Abspulen aufrechtzuerhalten. (DAS 1
011 045 )
Für die Schaffung einer verschleißfreien Wirbelstrom-oder
Hysteresebremse für Fahrzeuge ist es erforderlich, im Luftspalt eine hohe Kraftliniendichte
von z.B. etwa 10 - 14 000 G zur Verfügung zu haben, um eine möglichst hohe Bremskraft
zu erzeugen. Es bereitete bisher bei regelbaren Wirbelstrombremsen Schwierigkeiten,
für die Erzeugung derart hoher Luftspaltinduktionen die erforderliche Menge an Dauermagnetmaterial
bei möglichst geringer Streuung auf kleinstem Raum unterzubringen. Die bekannten
dauermagnetischen Wirbelstrombremsen wiesen deshalb verhältnismäßig große Abmessungen
auf. So steht für die Unterbringung z.B. einer Schienenbremse zwischen den Laufrädern
eines Fahrgestells nur ein begrenzter Raum zur Verfügung.
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Darüber hinaus wird bei den durch die Literatur bekannten dauermagnetischen
Wirbelstrombremsen das Magnetmaterial wegen der großen Streuung schlecht ausgenutzt.
Die vorstehenden Gründe waren im wesentlichen dafür entscheidend, daß z.B. dauermagnetische
Schienenbremsen nicht in die Praxis eingeführt wurden. Man verwendet deshalb elektromagnetisch
erregte Wirbelstrombremsen/Hysteresebremsen, obschon diese den Nachteil aufweisen,
daß sie von einer separaten Stromversorgung, z.B. durch Speisung aus der Batterie
oder eines vorgesehenen Generators, abhängig sind.
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Ein weiterer Nachteil der elektromagnetischen verschleißfreien Bremsen
besteht darin, daß sie bei Ausfall der Stromquelle vollkommen versagen. Abgesehen
von diesem Gefahrenmoment ist zu berücksichtigen, daß die gesamte elektrische Energie
zur Erzeugung des Magnetfeldes restlos in Wärme umgewandelt wird, so daß die Erregerspulen
schon nach kurzer Bremszeit eine sehr hohe Temperatur annehmen. Daher können die
meisten elektromagnetisch erregten Bremsen nur kurzzeitig ihre volle Bremsleistung
abgeben.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine stufenlos regelbare
dauermagnetische Wirbelstrom- und/oder Hysteresebremse, vorzugsweise für Schienenfahrzeuge,
zu schaffen, die geringe Streuverluste aufweist, leicht zu betätigen ist und bei
der ein großes Volumen an Dauermagnetmaterial bei kleiner Bauweise und optimal wechselnder
Polfolge untergebracht werden kann, um die erforderliche Luftspaltinduktion zur
Erzeugung genügend hoher Bremkräfte zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das gesamte Dauermagnetvolumen
eines jeden Elementes aus drehbaren und aus feststehenden Dauermagneten besteht,
wobei der drehbare Dauermagnet walzenförmig ausgebildet, in Richtung seines Durchmessers
magnetisiert ist und seine Walzenachse senkrecht zur Bremsfläche steht und die feststehenden
Dauermagnete
quaderförmig so ausgebildet sind, daß ihre größte
Länge ebenfalls senkrecht zur Bremsfläche verläuft und daß für jedes Element Polstücke
aus Weicheisen vorgesehen sind, die an ihren gegenüberliegenden Innenflächen segmentförmige
Aussparungen aufweisen, in welche die drehbare Dauermagnetwalze hineinragt und die
feststehenden Dauermagnete mit einem Pol an den Polstücken und dem anderen Pol an
den seitlichen Rückschlußplatten anliegen, so daß im eingeschalteten Zustand gleiche
Pole der feststehenden Magnete und der drehbaren Magnetwalze an einem Polstück anliegen.
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Durch die Erfindung gelingt es, das zur Erzeugung einer hohen Luftspaltinduktion,
z.B. von etwa 12 000G , erforderliche Magnetmaterial auf kleinstem Raum unterzubringen.
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Sowohl die feststehenden Dauermagnete als auch die drehbare;Dauermagnetwalze,
die an den Polstücken eines jeden Elementes anliegen, dienen zur Erhöhung der Kraftliniendichte
in den Polstücken und sind gleichzeitig Bestandteil des magnetischen Regelkreises.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird das eingebrachte Dauermagnetmaterial besonders
gut ausgenutzt. Die Pole gleicher Polarität der feststehenden Dauermagnete als auch
die Pole gleicher Polarität der drehbaren Dauermagnete liegen jeweils an einem Polstück
an, so daß sämtliche Kraftlinien von den Polstücken gesammelt und zum Arbeitsluftspalt
geleitet werden. Durch die zwischen den Polstücken liegenden, zusätzlich vorgesehenen
Dauermagnete wird die Streuung so gering wie möglich gehalten.
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Gegenüber den bekannten Wirbelstrombremsen, bei denen zum Zwecke der
Ausschaltung das gesamte eingebrachte Magnetvolumen relativ zu den Polstücken verschoben
werden muß, ist es bei der vorliegenden Erfindung nur erforderlich, etwa die Hälfte
des eingebrachten Dauermagnetmaterials zum Zwecke der Regelung des Bremsmomentes
gegenhuber den Polstücken zu bewegen, so daß die Ein- und Ausschaltung mit relativ
geringen Kräften erreicht wird.
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Es wurde erkannt, daß bei der Länge 1 eines jeden Elementes von 70
mm + 20 mm und einem Luftspalt zwischen der Polfläche der Bremse und der Schienenlauffläche
von etwa 7 mm sich die größte Bremskraft erzielen läßt. Eine wesentliche Vergrößerung
dieses Maßes vermindert die Polwechselzahl.
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Dadurch nimmt die Bremskraft ab. Bei einer wesentlichen Verkleinerung
dieses Maßes nimmt die Streuung zu, so daß ebenfalls eine kleinere Bremskraft erhalten
wird Durch eine geeignete Dimensionierung des magnetischen Kreises eines jeden Elementes,
d.h. sowohl der feststehenden als auch der drehbaren Dauermagnete, kann das magnetische
Feld, das zur Bremsung dient, völlig kompensiert oder auf ein Maximum entsprechend
der Addition der beiden Felder gebracht werden. Um bei Verdrehung des
beweglichen
Magneten eine vollständige Kompensation zu erreichen, ist das Gesamtvolumen des
drehbaren Dauermagneten jedes Elementes bis zu 10* größer bemessen als das Gesamtvolumen
der feststehenden Dauermagnete, sofern für beide das gleiche Magnetmaterial Verwendung
findet.
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Wird für die drehbaren Dauermagnete ein hochwertigeres Dauermagnetmaterial
eingesetzt, so kann das Volumen im Verhältnis zu den feststehenden Dauermagneten
entsprechend kleiner sein.
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Es besteht auch die Möglichkeit, daß nur ein Teil, insbesondere der
der Bremsfläche benachbarte Teil der drehbaren Dauermagnete aus einem hochwertigeren
Dauermagnetmaterial besteht als der übrige Teil der drehbaren und feststehenden
Dauermagnete.
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Um eine besonders hohe Luftspaltinduktion bei kleinstem Einsatz an
Magnetvolumen zu erreichen, wird vorzugsweise für die drehbaren und die feststehenden
Dauermagnete ein Magnetmaterial aus einer Legierung von Seltenen Erden mit Kobalt,
wie z.B. Kobalt-Samarium, verwendet, die schon seit ca.lOJahren bekannt ist. Da
die Dauermagnete aus Seltenen Erden verhältnismäßig spröde und rißempfindlich sind,
wird man die scheibenförmigen Dauermagnete zu einer
Walze übereinanderschichten
und zwischen den übereinandergeschichteten Dauermagneten dünne nichtmagnetische
Folien, z.B. aus diamagnetischem Stahl wie V2a-Stahl ( geschützter Warenname), mit
einer Dicke von weniger als 0,3 mm anordnen. Die so zusammengefügten, eine Walze
bildenden scheibenförmigen Dauermagnete, die in Richtung ihres Durchmessers magnetisiert
sind, sind in einem Rohr aus nichtmagnetischem Material angeordnet. In der gleichen
Weise können auch die feststehenden Dauermagnete unter Einfügung von nichtmagnetischen
Folien übereinandergeschichtet werden.
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Um die Betriebssicherheit der Bremse zu vergrößern, insbesondere das
Vereisen etwa auftretender Kondensate zwischen den feststehenden und drehbaren Teilen
zu verhindern und eine Beschädigung der Magnete durch die bei dem rauhen Schienenbetrieb
auftretenden Schwingungen und Stöße zu vermeiden, ist in den Zwischenräumen zwischen
den feststehenden und drehbaren Dauermagneten eine Dämpfungsflüssigkeit, vorzugsweise
Silikonöl, enthalten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen
erläutert: Es zeigen: Fig. 1 ein Bremselement der Bremse im Horizontalschnitt nach
der Linie I-I der Fig. 3;
Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch
die Bremse in abgebrochener Darstellung, bei der mehrere Elemente in Richtung der
Bewegung bzw. der Schiene aneinanderliegend angeordnet sind; Fig. 3 einen Vertikalschnitt
entlang der Linie II-II der Fig. 2 in vergrößerter Darstellung; Fig. 4 einen Vertikalschnitt
durch die Bremse nach der Linie III-III der Fig. 2 in vergrößerter Darstellung;
Fig. 5 eine Unteransicht der Bremse.
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Geuiäß Fig. 1 besteht ein Element der Bremse aus den feststehenden
Dauermagneten 1-6 und dem drehbaren Dauermagneten 7, der die Form einer Walze besitzt,
wie aus Fig. 3 erkennbar ist. Ferner sind zwei Polstücke 8,9 vorgesehen ( je zur
Hälfte dargestellt ), die an ihren gegenüberliegenden Innenflächen segmentförmige
Aussparungen 10,11 aufweisen. In diese Aussparungen ragt der walzenförmig ausgebildete
drehbare Dauermagnet 7 hinein. Die feststehenden Dauermagnete 1,2,3,4 liegen an
den schmalen Seitenflächen 12 der Polstücke mit dem einen aufmagnetisierten Pol
an, während sie mit ihren Gegenpolen an den äußeren, die Bremse begrenzenden Rückschluß-
bzw. Abschirmteilen 16,17 anliegen. Die feststehenden Dauermagnete 5 und 6 liegen
teilweise mit ihren Polen an den
gegenüberliegenden Innenflächen
13 der Polstücke 8,9 an.
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Zwischen den feststehenden Dauermagneten 1,2,3,4 sind nichtmagnetische
Zwischenstücke 14,15, vorzugsweise aus Aluminium, vorgesehen. Das Element wird durch
ein äußeres Rückschluß- bzw. Abschirmteil 16,17 begrenzt. Wie durch die mit N und
S markierten Polaritäten erkennbar ist, liegen jeweils gleichnamige Pole der feststehenden
als auch des drehbaren Dauermagneten an den Polstücken 8 bzw. 9 an, so daß das Polstück
8 einen Nordpol und das Polstück 9 einen Südpol bildet.
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In diesem Zustand ist das Element eingeschaltet. In dieser Schaltstellung
werden sämtliche aus den Polen austretenden Kraftlinien gesammelt und innerhalb
der Polstücke zu dem Arbeitsluftspalt 18 geleitet. Die feststehenden Dauermagnete
5,6 sind dazu bestimmt, die Streuung zwischen den Polstücken 8,9, die entgegengesetzte
Polarität aufweisen, auf ein Minimum herabzusetzen.
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Die Wirkungsweise der Bremse wird später behandelt.
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Aus Fig. 2 erkennt man deutlich den Gesamtaufbau der Bremse, die aus
mehreren Elementen gemäß Fig. 1 in Längsrichtung der Bewegung bzw, der Schiene zusammengesetzt
sind.
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In dem Vertikalschnitt der Fig. 3 nach der Linie II-II der Fig. 1
ist der Aufbau des drehbaren Dauermagneten 7 dargestellt, der aus einzelnen Dauermagnetscheiben
7a, 7b usw. besteht, die übereinandergeschichtet sind und eine Walze 19 bilden.
Zwischen den einzelnen Dauermagneten sind zur Vermeidung von Rißbildungen dünne
nichtmagnetische Folien 20 angeordnet, die eine Dicke von ca. 0,2 mm aufweisen.
Sie bestehen aus diamagnetischem Stahl wie z.B. V2a-Stahl ( geschützter Warenname).
Diese Anordnung wird man insbesondere dann wählen, wenn man die Dauermagnete aus
Seltene-Erden-Legierungen herstellt, die relativ spröde sind und zu Rißbildungen
und zum Zerbrechen bei Stoßbeanspruchung neigen. Die übereinandergeschichteten Dauermagnetscheiben
7a der Walze 19 einschließlich der dazwischenliegencen nichtmagnetischen Folien
sind zum besseren Zusammenhalt und Schutz gegen Ausbrechen der Kanten, Zerbrechen
und dergleichen in einem Rohr 21 aus nichtmagnetischem Material untergebracht. An
der oberen Stirnseite 22 des Rohrs befindet sich ein Zahnrad 23, in das gegenläufige
Zahnstangen 24 zum Zwecke der Verdrehung der Magnetwalze eingreifen. An der unteren
Seite ist die Magnetwalze mit einem nichtmagnetischen Abschlußteil 25 versehen.
Mittels Lagerbolzen 26,27 ist die Magnetwalze drehbar gelagert. Die Lagerbolzen
sind in der Abdeckplatte 28 und in der nichtmagnetischen Grundplatte 29 befestigt.
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Aus der Fig. 3 sind ferner die feststehenden Magnete 5,6> die nichtmagnetischen
Zwischenstücke 14,15 sowie die die Längsseiten der Bremse begrenzenden Rückschluß-
und Abschirmteile 16,17 gut erkennbar. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit, insbesondere
bei tiefen Temperaturen und Stoßeinwirkungen, ist in dem Spalt 30 zwischen der drehbaren
Walze 19 und den feststehenden Dauermagneten eine Dämpfungsflüssigkeit enthalten.
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Aus Fig. 4, die den Längsschnitt nach der Linie III-III der Fig. 2
zeigt, erkennt man ein Polstück 8, an dem die feststehenden Magnete 1,3 anliegen.
Das Polstück ist an seinem unteren Teil zu dem Polkopf 31 verbreitert. Zwischen
der Polfläche 34 des Polkopfes 31 und der Schienenlauffläche 32 der abgebrochen
dargestellten Schiene befindet sich der Arbeitsluftspalt 18, der etwa 7 mm beträgt.
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Der Polkopf ragt in die nichtmagnetische Grundplatte hinein und schließt
mit ihr an der Unterseite bündig ab.
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Aus der Unteransicht der Bremse gemäß Fig. 5 erkennt man die Polflächen
34 der Polköpfe, die sich in entsprechende Aussparungen der nichtmagnetischen Grundplatte
29 befinden.
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In Fig. 2 ist die Bremse in Einschaltstellung dargestellt.
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Die Pole der feststehenden als auch die der drehbaren Dauermagnete
sind durch die Buchstaben N und S gekennzeichnet. Wie man aus der Zeichnung ersieht,
liegen an dem Polstück 8 sowohl die Südpole der feststehenden als auch die der drehbaren
Dauermagnete an undan dem Polstück 9 die Nordpole der feststehenden und drehbaren
Dauermagnete.
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Dadurch entsteht in dem Polstück 8 ein Nordpol und in dem Polstück
9 ein Südpol. Es werden somit zwei magnetische Kreise gebildet, die beide zur Erregung
der Polstücke und zur Regelung des Bremsmomentes beitragen. In dieser Einschaltstellung
verlaufen die Kraftlinien des magnetischen Kreises von dem einen Polstück 8 über
den Luftspalt 18 durch die Schiene 33 zum Polstück 9 entgegengesetzter Polarität.
Verdreht man zum Zwecke der Ausschaltung die Dauermagnete 7 um 180 0 durch gegenläufige
Verschiebung der Zahnstangen 24, so liegen an den Polstücken Pole entgegengesetzter
Polarität an, so daß sich die magnetischen Kraftlinien innerhalb der Magnetanordnung
eines jeden Elementes kurzschließen und das resultierende magnetische Feld im Luft
spalt Null wird.
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Werden die beweglichen Dauermagnete mehr oder weniger verdreht, so
kann man das Bremsmoment entsprechend der gewünschten Größe stufenlos regeln.
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Um die Bremse völlig abschalten zu können, muß das Magnetvolumen der
drehbaren Dauermagnete etwa 10 größer sein als das Gesamtvolumen der feststehenden
Dauermagnete, unter der Voraussetzung, daß sowohl für die drehbaren als auch für
die feststehenden Dauermagnete das gleiche Magnetmaterial verwendet wird.
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Um eine möglichst hohe Luftspaltinduktion und damit besonders wirkungsvolle
Bremskräfte zu erhalten, kann man als Dauermagnetmaterial für die feststehenden
und für die drehbaren Magnete vorzugsweise eine Legierung aus Seltenen Erden mit
Kobalt verwenden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf dieses Magnetmaterial
eingeschränkt. Man kann auch jedes andere Magnetmaterial mit einem möglichst hohen
(BH) -Wert max verwenden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorliegende Ausführung eingeschränkt.
Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle mehrerer feststehender Dauermagnete nur
einen feststehenden Dauermagneten im Bereich des drehbaren Dauermagneten vorzusehen.
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Ferner ist es möglich, die mit segmentförmigen Aussparungen versehenen
Polstücke im ganzen oder in der Mitte geteilt auszubilden.
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Vielfach ist es erwünscht, die Bremse auf ring- oder scheibenförmig
ausgebildete Bremsflächen wirken zu lassen. In diesem Fall wird die Bremse ringsegmentförmig
gestaltet.
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Zur Abbremsung eines Schienenfahrzeuges kann man die ringsegmentförmig
ausgebildete Bremse ein- oder beidseitig der Laufräder oder einer auf der Radachse
angebrachten Bremsscheibe anordnen, derart, daß sie mit ihren Polflächen den Stirnflächen
des Radkranzes oder der Bremsscheibe gegenübersteht.
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