Flüssigkeitsgekühlte elektrische Wirbelstrombremse

zur direkten Umwandlung von Wind- oder mechanischer Energie in Wärme Beschreibung Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte elektrische Wirbelstrombremse für eine direkte Umwandlung von Wind- oder mechanischer Energie in Wärmeenergie.

Zweck solcher Einrichtungen ist entweder die Vernichtung überschüssiger Energiemengen, z. B. beim Bremsen oder die gezielte Erzeugung von Wärme.

Das im vorliegenden Fall benutzte Verfahren arbeitet nach dem bekannten elektrischen Wirbelstromprinzip. Da aber elektrische Ströme oder Spannungen nirgends erfaßt werden und auch keine Wicklungen vorhanden sind, kann durchaus von (tdirekter?: Umwandlung der antreibenden Energie in Wärme durch die Maschine gesprochen werden. Der Wirkungsgrad der Umwandlung ist praktisch 100 %, denn Lagerreibungsverluste setzen sich auch in die gewünschte Wärmeenergie um.

Der bekannte Stand der Technik ist aufgrund des unterschiedlichen Zweckes sowohl auf dem Gebiet der Wirbelstrombremsen, wie auch auf dem Gebiet der Windkraftanlagen zu untersuchen.

Es gibt in der Hebezeugtehnik se vielen Jahren bekannte Wirbelstrombremsen, die mit einer gleichstromerregten Wicklung für das Magnetfeld arbeiten, die luftgekühlt sind und die bremsenden Wirbelströme in rotierenden Zylinderflächen erzeugen.

Nach der deutschen Patentschrift 925414 Anspruch 1 werden auch schon verstellbare Dauermagnete zur Erzeugung von Wirbelströmen benutzt. Diese Erfindung beschreibt eine Verstellung der Magnete gegenüber den zugehörigen Polschuhen, hat Ringkörper als Träger der wirksamen Teile und ist ebenfalls luftgekühlt.

Der Einsatz von dauermagneterregten flüssigkeitsgekühlten Wirbelstrombremsen in Windkonvertern wird in DE-OS 2647741 vorgeschlagen. Auch hier erzeugen durch den Wind rotierende Magnete bei unveränderlichem magnetischen Kreis die Wirbelströme in Zylinderflächen. Sonst treiben Windanlagen, wie sie z. B. in der etz Band 100 (1979) Heft 2 Seite 75 bis 79 beschrieben sind, Pumpen oder Stromerzeuger an.

Unter dem Gesichtspunkt größtmöglicher Energieumwandlung mit kleinstem Aufwand sind beide Anwendungen (Energievernichtung, Wärmeerzeugung) durch die bekannten Maschinen nur unvollkommen gelöst. Die bisherigen luftgekühlten Wirbelstrombremsen sind beispielsweise kaum in der Lage, wesentlich mehr Wärmeenergie abzuführen als die Wirkungsgrade vergleichbar großer Elektro-Motoren ausdrücken. Es sollte möglich sein, bei gleicher Baugröße eine mindestens 5- bis 20fache Energiemenge umzuwandeln.

Zum anderen wird auf die großen Schwierigkeiten und teuren Zusatzeinrichtungen hingewiesen, die bei der Stromerzeugung durch Wind beachtet werden müssen. Regelungs- und Speicheraufwand wird sich aus heutiger Sicht kaum vermindern lassen, wenn tatsächlich Strom für Beleuchtung, Antreiben u. ä. gebraucht wird.

Es ist jedoch nicht nötig, diesen Aufwand zu treiben, wenn die gewonnene elektrische Energie nur wieder Heizzwecken dient. Besonders bei kleinen und mittleren Anlagen wie z. B. für Ein-und Mehrfamilienhäuser in geeigneter Gegend läßt sich Windenergie mit Hilfe der Erfindung direkt in Wärme umsetzen und z. B.

auch über einen Wärmetauscher dem Kreislauf der normalen Warmwasserheizung zuführen, wobei die geringe Schwungmasse einer rotierenden Scheibe den leichten Anlauf und damit die Windausnutzung besonders begünstigt.

Aufgabe der Erfindung ist, eine einfache, relativ kleine betriebssichere Umwandlungseinrichtung zu schaffen, die weitgehende Wartungsfreiheit mit hoher Lebensdauer verbindet, einen praktisch 100 %tigen Wirkungsgrad besitzt und trotz Regelbarkeit keine Zusatzenergie benötigt. Letzteres ist z. B. bei Stromausfall oder Heizölmangel besonders wichtig.

Die Aufgabe wird nach Anspruch 1 dadurch gelöst, daß als Arbeitsmaschine eine dauermagneterregte, regelbare Wirbelstrom-Scheibenbremse Verwendung findet, deren Arbeitskennlinie stärker als proportional mit der Drehzahl ansteigt, indem sich eine flüssigkeitsumspülte Bremsscheibe aus elektrisch gut leitendem Material im Spalt beweglicher, sich gegenüberstehender Dauermagnetpole bzw. Polpaare berührungslos dreht, wobei die Beweglichkeit der Magnete eine Veränderung des Angriffradius' der Bremskraft an der Scheibe zuläßt und/oder eine Veränderung des Spalts zwischen Magnetpolen und/oder eine Drehung derselben relativ zur Bewegungsrichtung der Scheibe und/oder eine Verschiebung in den Bereich anderer Leitwerte der Scheibe.

Hierdurch wird neben dem leichten Anlauf auch eine Begrenzung der Überdrehzahl erreicht, wenn z. B. durch die Regelbarkeit die Arbeitskennlinie P = f (n) stärker als mit der 3. Potenz der Drehzahl ansteigt.

Nach Anspruch 2 erfolgt die Regelung der Drehzahl durch Selbstverstärkung ohne Zusatzenergie.

Außerdem wird entsprechend Anspruch 3 mit der Wirbelstrombremse direkt oder indirekt eine der Wärmeabführung dienende zusätzliche Anordnung gekoppelt.

Nach Anspruch 4 kann die zusätzliche Anordnung aus einem Wärmetauscher und/oder einem Rückkühler und/oder einer die Kühlflüssigkeit umwälzende Pumpe bestehen.

Die weiteren Ansprüche beschreiben Justiermöglichkeiten in der Weise, daß die Arbeitskennlinie durch Federn im Bewegungsmechanismus der Magnete veränderbar ist (Anspruch 5) und daß die Beweglichkeit der Magnete entsprechend Anspruch 1 mechanisch begrenzbar ist (Anspruch 6). Bei letzterem wird die Blockierung in einer Endlage nicht ausgeschlossen.

Die erzielbaren Vorteile lassen sich am einfachsten wieder bei Trennung der beiden Arbeitsweisen beschreiben. Beiden Zwecken gemeinsam dient jedoch die Flüssigkeitskühlung. Grundsätzliche Untersuchungen haben bereits vor vielen Jahren die klaren Voxrzüge von Flüssigkeiten als Kühlmittel für elektrische Maschinen gezeigt. Nach den Techn. Mitt. AEG-Telefunken 59 (1969) 1,Bei te 3, Spalte 2 Tabelle 2 ist das Wärmeabfuhrvermögen von öl z. B. 21 mal, das von Wasser 50 mal so groß wie das von Luft.

Gleichzeitig werden die Temperatursprünge zwischen Wärmeentstehungsort und Kühlmittel geringer. Durch den Verzicht auf elektrisch zu isolierende Wicklungen ist der erfindungsgemäße Einsatz einer Flüssigkeit kein Problem. Frostschutzmittel gestatten auch den Betrieb in kälterer Umgebung. Da die Wärmequelle (der Teil der rotierenden Scheibe, der sich gerade in der Einwirkung des Magnetfeldes befindet) unmittelbar flüssigkeitsumspült ist und durch Wärmeleitung in der Scheibe größere Bereiche zum Wärmeübergang beitragen, kann das Ziel einer bis zu 20fach verbesserten Energieumwandlung als erreicht angesehen werden. Bei zu schneller Erwärmung der Kühlflussigkeit, bietet ein zusätzlicher Rückkühler oder eine Erweiterung der Kühlfläche Abhilfe.

Eine Scheibe als Bremskraftangriff in Verbindung mit neuen Dauermagneten hohen Energieinhalts und hoher Koerzitivkraft, läßt z. B. die Möglichkeit offen, nicht nur den untersynchronen Bereich, sondern praktisch den gesamten Senkbetrieb eines Hebezeuges allein mit der Wirbelstrombremse sicher abzuwickeln.

Senkgeschwindigkeiten können erhöht, die Entlastungen des Antriebmotors in weitere wirtschaftliche Vorteile umgesetzt werden (z. B. Motorverkleinerung oder höhere IIubgeschwindigkeit) Bei der Windenergieumwandlung kommen andere Vorteile zum Tragen.

Die exponentiell sehr stark steigende Arbeitskennlinie der Maschine begrenzt bei Windböen die überdrehzahl ohne daß durch andere Mittel,wie aufwendige Propellerflügel-Drehung,zusätzlich eingegriffen werden müßte. Die bei Wärmeerzeugung mittels Strom auftretenden Generatorverluste fallen restlos weg. Das bei den meistens dauermagneterregten Drehstromgeneratoren übliche relativ hohe Losbrechmoment ist nicht vorhanden, was zu einem den Wind besser nutzenden leichten Anlauf beiträgt. Windstille hat keine nachteiligen Folgen, sofern die Einrichtung außen gut isoliert ist. Hilfsenergie wird nicht benötigt.

Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 1 bis 11 dargestellt: Fig. 1 Prinzipdarstellung der Einrichtung (Schnittbild) mit horizontaler Achse Fig. 2 Prinzipdarstellung der Einrichtung (Schnittbild) mit vertikaler Achse und Wärmetauscher Fig. 3 Anordnung der Dauermagnetkombination parallel zur rotierenden Scheibe Fig. 4 Prinzipdarstellung der Führung zur Veränderung des Luftspalts zwischen den Dauermagneten bei Anderung des wirksamen Scheiben-Radius Fig. 5 Beispiel für die Anordnung der Schwinge mit den Dauermagneten bei einer Einrichtung für 2 Drehrichtungen Fig. 6 Prinzipdarstellung einer Einrichtung nach Fig. 2 bei Antrieb durch einen Windrotor mit horizontaler Achse Fig. 7 Prinzipdarstellung einer Einrichtung nach Fig. 2 bei Antrieb durch einen Windrotor mit vertikaler Achse, Anlaufhilfe (z. B. Schalenkra4z) und Doppel-Magnetsystem Fig. 8 Scheibe der Einrichtung aus Material mit verschiedenen elektrischen oder magnet. Leitwerten (Schnittbild) Fig. 9 Scheibe der Einrichtung mit einer sich mit dem Radius verringernden Materialstärke (Schnittbild) Fig. 10 Scheibe der Einrichtung mit einer sich mit dem Radius vergrößernden Materialstärke (Schnittbild) Fig. 11 Scheibe der Einrichtung mit einer Veränderung der Leitwerte mit dem Radius durch verschiedene Formgebungen (Bohrungen, Schlitze) Im einzelnen bedeuten die Positionen k 1 Gehäuse der Einrichtung 2 Scheibe (Läufer) 3 Achse der Scheibe 4 Raum für die zu erwärmende Flüssigkeit 5 Dauermagnet-Kombination (Fig. 3) 6 Schwinge für Dauermagnet-Kombination 5 7 Führung für die Schwinge 6 8 Feder zur Beeinflussung der Arbeitskennlinie der Einrichtung und zum Massenausgleich der Schwinge 9 Drehgelenk für die Lagerung der Schwinge 6 10 Oberes Lager für die Achse 3 11 Unteres Lager für die Achse 3 12 Wärmetauscher (auch Raum für Pumpenteile) 13 Befestigungsflansch der Scheibe 2 an der Achse 3 14 Verbindungsmuffe 15 Anschluß-Achse des Windrotors 16 Außerer Hebel an der Schwinge zur willkürlichen Einstellung und Anzeige 17 Dauermagnet (Südpol oder Nordpol) 18 Magnetischer Eisenrückschluß (Teil der Schwinge 6) 19 Windrotor mit waagerechter Achse 20 Windrotor mit senkrechter Achse 21 Dreheinrichtung für den Windrotor mit Kegelradgetriebe 22 Anlaufhilfe für Windrotor 20 23 Schlitz (Beispiel) 24 Bohrung (Beispiel) Das Grundprinzip der Einrichtung wird vor allem durch Fig. 1 und 3 deutlich.

In einem flüssigkeitsgefüllten Gehäuse 1 dreht sich eine flache Scheibe 2, die z. B. aus Aluminium besteht, mittels Achse 3. An einem geeigneten Punkt des Gehäuses ist in dem Drehgelenk 9 eine zweiarmige Schwinge 6 angebracht. Sie trägt an ihren Enden die in einem festen Winkel montierte Kombination 5 von je einem Nord- und Süd-Dauermagneten. Die beiden Schwingenarme können sich parallel zueinander beiderseits der Scheibe so bewegen, daß das Magnetfeld an veränderlichen Scheibenradien angreift. Durch Experimente ist weiterhin nachgewiesen, daß sich die auf die Scheibe einwirkende Bremskraft mindestens in einem Verhältnis 4 : 1 vermindert, wenn die Bewegungsrichtung der Scheibe 2 in Fig. 3 nicht mehr von z. B. rechts nach links, sondern um 900 gedreht von vorne nach hinten erfolgt.

Dies führt zu einem Selbstverstärkungseffekt, der die Schwinge bei höherer Scheibendrehzahl automatisch in den Bereich größerer Radien lenkt, weil bei der Anordnung wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, bei allen Angriffsradien eine mit steigender Drehzahl zunehmende Kraftkomponente nach außen drückt. Durch die Druckfeder 8 lassen sich Gewichte ausgleichen sowie Beginn und Größe der Selbstverstärkung beeinflussen. Die Führung 7 der Schwinge 6 kann nach Fig. 4 gleichzeitig mit dem Angriffsradius zu einer Veränderung des magnetischen Kreises durch Spaltänderung (d ges) beitragen. Das Drehgelenk 9 muß dann Bewegungen in 2 Ebenen zulassen.

Fig. 2 stellt die im Prinzip gleiche Einrichtung wie Fig. 1 dar, jedoch mit waagerecht angeordneter Scheibe und einigen Ergänzungen.

Welle 3 ist durch ein unteres und oberes Lager 11 bzw. 10 gehalten und zeigt über die Muffe 14 die Verbindung zur Antriebsmaschine 15.

Schwinge 6, für die in waagerechter Lage kein Gewichtsausgleich notwendig ist, besitzt einen herausgeführten Hebel 16 zur Anzeige der Schwingenstellung und willkürlichen Beeinflussung. Über der Scheibe ist innerhalb des flüssigkeitsgefüllten Behälters 1 ein Wärmetauscher angedeutet. Diese Ausführung gestattet einen größeren Freiheitsgrad durch unterschiedliche Wahl der Druckverhältnisse und Flüssigkeiten in Wirbelstrombremse und Heizungsanlage. Die Größe des Wärmetauschers ist den Gegebenheiten anzupassen. Bei eine Druckfestigkeit der Wirbelstrombremse von z. B. 2,5 bar kann das Heizungswasser auch direkt durch die Einrichtung geleitet werden.

Über der Scheibe wäre z. B. auch Raum für nicht dargestellte Pumpenteile. Ebenso sind Sicherheitseinrichtungen, wie zusätzliche mechanische Bremse und Feststellvorrichtungen nicht gezeichnet.

Nach Fig. 5 kann die etwas verkürzte Schwinge beiderseits der Achse arbeiten und damit für 2 Drehrichtungen wirksam werden.

In 2 weiteren Darstellungen ist die Einrichtung (waagerechte Scheibe) mit einer horizontalachsigen (Fig. 6) und vertikalachsigen (Fig. 7) Windkraftmaschine kombiniert. Während nach Fig. 6 ein zusätzliches Kegelradgetriebe mit Dreheinrichtung 21 Verwendung findet, muß der andere Rotortyp (Fig. 7) mit einer Anlaufhilfe (z. B. Schalenkranz) 22 versehen werden. In letztgenannter Zeichnung ist auch die verstärkte Ausnutzung durch mehrere (im Beispiel 2 Stück) Schwingensysteme mit Magnetkombinationen angedeutet.

Die weiteren Figuren 8 bis 11 zeigen auf, wie in Abhängigkeit vom Scheibenradius zusätzlich der wirksame elektrische Leitwert geändert werden kann. Das erfolgt in Fig. 8 durch unterschiedliche Materialien und entsprechende Formgebung, in Fig. 9 und 10 allein durch unterschiedliche Dicke. Gleichartige Wirkungen werden bei Scheiben konstanter Dicke und homogenen Materials durch Bohrungen unterschiedlicher Durchmesser 24, mit unterschiedlicher Zahl und Anordnung und/oder entsprechend gestaltete Schlitze 23 erreicht.

Ein Beispiel und ein Vergleich sollen die praktischen Möglichkeiten und den techn. Fortschritt erläutern: 1. Beispiel für die Anwendung als Windenergiewandler Mittlerer Heizwärmebedarf eines ca. 5 kW Einfamilienhauses ^- 30. - 40pOO kWh/Jahr Maximaler Wärmebedarf ca. 10 kW Jahresniittel der Windge s chwindigkeit im Küstenbereich bis Hamburg > 4 - 5 m/s (Frühjahr und Herbst wesentlich höher) Aus Literaturangaben abgeleiteter 8 m möglicher Windrotor (horizontale Achse) 6 kW bei 8 m/s 80 U/min Mit dem Windrotor kann ohne Übersetzung folgende erfindungsgemäße Einrichtung direkt gekoppelt werden: Scheibe Aluminium 6 mm dick, homogen, Scheibendurchmesser 1,8 m Kobalt-Samarium Magnetmaterial 5 kg konstanter Gesamtabstand der Magnete ges = 16 mm Nennauslegung für ca. 1600 N Bremskraft bei 3,8 m/s mit ca. 50 % wirksamen Scheibenradius und 6 kW Wandlungsleistung.

N Winddruck bei 8 m/s Windgeschwindigkeit: ca. 64 m2 Winddruck bei 36 m/s Windgeschwindigkeit: ca 1300 N2 (Windstärke 12) m das entspricht einem Stellverhältnis von ca. 1 : 20 bei konstanter Scheibendrehzahl Die Möglichkeiten zur Kraftanpassung reichen jedoch bei Ausnutzung aller Varianten wesentlich weiter, nämlich a) Durch Anderung des wirksamen Angriffsradius zwischen 125 und 800 mm bis 1 : 6,5 b) Durch Drehung der Magnetanordnung relativ zur Bewegungsrichtung des Läufers bis ca. 1 : Lt c) Durch radiusabhängige Materialänderung des Läufers nach Art und Gestaltung 1:5 d) Durch Anderung des Abstandes zuges der Magnete von 15 - 60 mm ca. 1 : 4,5 Bei gleichzeitiger Anwendung aller dieser Maßnahmen ergibt sich ein Stellverhältnis > 500 : 1 (konstante Drehzahl) 2. Vergleich Eine bekannte, auf dem Markt käufliche Wirbelstrombremse mit elektrischer Erregung (WB elektr.) wird mit einer bauvolumengleichen erfindungsgemäßen Einrichtung (WB magn.) verglichen: A. Mechanik

WB elektr. WB magn.

Bauvolumen in m3 0,45 0,45

Durchmesser in mm 800 1800

Länge (ohne WE) in mm 870 180

Oberfläche in 3,2 6,1

Gewicht in kg 1345 (Metall) 400 (Metall)

+ 400 (Flüssigkeit)

B. Energiewandlung

WB elektrisch WB magnetisch

mit mit 5 kg mit 10 R

Fremdbelüftg. Magnetmaterial Magnete

Dauer-Bremsleistg.

9 22 18 36

in kW bei 100 Umdr.

min

Dauer-Bremsleistg.

12 29 24 48

in kW bei 200

min

Bremsleistung

42 > 100

in kW max

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