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Flüssigkeitsgekühlte elektrische Wirbelstrombremse
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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.
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Zweck solcher Einrichtungen ist entweder die Vernichtung überschüssiger
Energiemengen, z. B. beim Bremsen oder die gezielte Erzeugung von Wärme.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nach Anspruch 2 erfolgt die Regelung der Drehzahl durch Selbstverstärkung
ohne Zusatzenergie.
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Außerdem wird entsprechend Anspruch 3 mit der Wirbelstrombremse direkt
oder indirekt eine der Wärmeabführung dienende zusätzliche Anordnung gekoppelt.
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Nach Anspruch 4 kann die zusätzliche Anordnung aus einem Wärmetauscher
und/oder einem Rückkühler und/oder einer die Kühlflüssigkeit umwälzende Pumpe bestehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 2 stellt die im Prinzip gleiche Einrichtung wie Fig. 1 dar, jedoch
mit waagerecht angeordneter Scheibe und einigen Ergänzungen.
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Welle 3 ist durch ein unteres und oberes Lager 11 bzw. 10 gehalten
und zeigt über die Muffe 14 die Verbindung zur Antriebsmaschine 15.
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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.
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Über der Scheibe wäre z. B. auch Raum für nicht dargestellte Pumpenteile.
Ebenso sind Sicherheitseinrichtungen, wie zusätzliche mechanische Bremse und Feststellvorrichtungen
nicht gezeichnet.
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Nach Fig. 5 kann die etwas verkürzte Schwinge beiderseits der Achse
arbeiten und damit für 2 Drehrichtungen wirksam werden.
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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.
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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.
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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.
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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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