DE3009027C2

DE3009027C2 - Dauermagneterregte Wirbelstrombremse in einem flüssigkeitsgefüllten Behälter für eine direkte Umwandlung von Wind- oder mechanischer Energie in Wärmeenergie

Info

Publication number: DE3009027C2
Application number: DE19803009027
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 2000 Wedel Augenreich
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1980-03-08
Filing date: 1980-03-08
Publication date: 1985-08-08
Also published as: DE3009027A1

Description

Die Erfindung betrifft eine dauermagnetische Wirbelstrombremse In einem flüssigkeitsgefüllten Behälter für eine direkte Umwandlung von Wind- oder mechanischer Energie in Wärmeenergie. Zweck solcher Einrichtungen ist entweder die Vernichtung überschüssiger Energiemengen, z. B. beim Brem sen, 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 »direkter« Umwandlung der antreibenden Energie in Wärme durch die Maschine gesprochen werden Der Wirkungsgrad der Umwandlung Ist praktisch 100%, denn Lagerreibungsverluste setzen

W sich auch In die gewünschte Wärmeenergie um.

Der Einsatz von dauermagnetlschen Wirbelstrombremsen, die sich In einem flüssigkeltsgefüllten Behälter befinden, wird In DE-OS 26 47 741 bekannt. Durch ein Windrad angetriebene Magnete erzeugen bei unveränderlichem magnetischen Kreis die Wirbelströme In Zyllnderflächen. Aus DE-GM 19 15 191 Ist weiterhin eine Regeleinrichtung für eine dauermagnetische Wirbelstrombremse bekannt. Es handelt sich jedoch wegen einer anderen Aufgabenstellung um eine Bremsanordnung, bei der das

Bremsmoment mit der Scheibendrehzahl unterproportional zunimmt. Die Beeinflussung erfolgt nur am Rande

der Scheibe durch die Drehung des Bremsmagneten gegen den Widerstand einer Feder. Flüssigkeitskühlung ist nicht vorgesehen.

Unter dem Gesichtspunkt größtmöglicher Energieumwandlung mit kleinstem Aufwand sind beide Anwen-

düngen (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 S- 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 es, einen stabilen Selbstregelmechanismus für ein mit der Scheibendrehzahl Oberproportional ansteigendes Bremsmoment zu schaffen, wobei der Mechanismus keine Zusatzenergie benötigt. Letzteres ist z. B. bei Stromausfall oder Heizölmangel besonders wichtig.

Die Aufgabe wird durch eine Konstruktion entsprechend dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst. Nach Anspruch 2 sind auf dem Bewegungsweg der Dauermagnetanordnungen zwischen kleinstem und größtem Scheibenradius auch Luftspaltänderungen und/oder Leitwertänderungen der Scheibe wirksam.

Hierdurch wird neben dem leichten Anlauf auch eine Begrenzung der wlndkraftbedlngten Überdrehzahl erreicht, wenn z. B. durch die Regelbarkelt die Arbeltskennlinie P =f(n) stärker als mit der 3. Potenz der Dreh zahl ansteigt.

Ein weiterer Vorteil Ist die Flüssigkeitskühlung. Grundsätzliche Untersuchungen haben bereits vor vielen Jahren die klaren Vorzüge von Flüssigkelten als Kühlmittel für elektrische Maschinen gezeigt. Nach den Techn. Mltt. AEG-Telefunken 59 (1969) 1, Seite 3, Spalte 2, Tabelle 2 Ist das Wärmeabfuhrvermögen von Öl ι. B. 21 mal, das von Wasser 50mal so groß wie das von Luft. Gleichzeitig werden die Temperalursprüngc zwischen

« Würmeentstehungsort 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 flüsslgkeltsumspült 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 Kühlflüssigkeit, bietet ein zusatzlicher Rückkühler oder eine Erweiterung der Kühlfläche Abhilfe.

Eine Scheibe als Bremskraftangriff in Verbindung mit neuen Dauermagneten hohen Energieinhalts und hoher Koerzitivkraft, laßt z. B. die Möglichkeit oifen, 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 Hubgeschwindigkeit).

Die exponentiell sehr stark steigende Arbeitskennlinie der Maschine begrenzt bei Windböen die Überdrehzahl, ohne daß durch andere Mittel, wie aufwendige Propsllerflügel-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 beträgt. Windstille hat keine nachteiligen Folgen, sofern die Einrichtung außen gut Isoliert 1st.

Ausführungsbeispiele sind In den Fig. 1 bis 11 dargestellt: is Fig. 1 Prinzipdarstellung mit horizontaler Achse; F i g. 2 Prinzipdarstellung der Einrichtung (Schnittbild) mit vertikaler Achse und Wärmetauscher; Fig. 3 entlallt;

FI g. 4 Prinzipdarstellung der Führung zur Veränderung des Luftspaltes zwischen den Dauermagneten bei Änderung des wirksamen Scheiben-Radius;

Flg. S Beispiel für die Anordnung der Schwinge mit den Dauermagneten bei einer Einrichtung für 2 Drehrichtungen;

Flg. 6 Prinzipdarstellung einer Einrichtung nach Flg. 2 bei Antrieb durch einen Windrotor mit horizontaler Achse;

Flg. 7 Prlnzlpdarstellung einer Einrichtung nach Flg. 2 bei Antrieb durch einen Windrotor mit vertikaler Achse, Anlaufhlife (z. B. Schalenkreuz) und Doppel-Magnetsystem;

F1 g. 8 Scheibe der Einrichtung aus Material mit verschiedenen elektrischen oder magnetischen Leitwerten (Schnittbild);

Flg. 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);

Flg. 11 Scheibe der Einrichtung mit einer Veräneerung der Leitwerte mit dem Radius durch verschiedene Formgebungen (Bohrungen, Schlitze).

Im einzelnen bedeuten die Positionen

1 Gehäuse der Einrichtung

2 Scheibe (Läufer)

3 Achse der Scheibe

4 Raum für die zu erwärmende Flüssigkeit

5 Dauermagnet-Anordnung

6 Schwinge für Dauermagnet-Anordnung

7 Führung für die Schwinge 6

8 Feder zur Beeinflussung der Arbeltskennlinie 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 Pumpentelle)

13 Befestlgungsflansch der Scheibe 2 an der Achse 3

14 Verbindungsmuffe

15 Anschluß-Achse des Windrotors

16 Äußerer Hebel an der Schwinge zur willkürlichen Einstellung und Anzeige

17 Dauermagnet (Südpol oder Nordpol)

18 Magnetischer Elsenrückschluß

19 Windrotor mit waagerechter Achse

20 Windrotor mit senkrechter Achse

21 Dreheinrichtung für den Windrotor mit Kegelradgetriebe

22 Anlaufhilfe für Windrotor ΔΔ₀

23 Schlitz (Beispiel)

24 Bohrung (Beispiel)

Das Grundprinzip der Einrichtung wird vor allem durch Fig. 1 deutlich.

In einem flüsslgkeltsgefüllten Behälter (nicht dargestellt) dreht sich eine flache Scheibe 2, die z. B. aus Aluminium besteht. An einem geeigneten Punkt des Gehäuses ist In dem Drehgelenk 9 eine zweiarmige Schwinge 6 angebracht (die Zweiarmigkeit wird nur In Flg. 2 deutlich). Sie trägt an Ihren Enden die in einem festen Winkel montierten Anordnungen 5 von je einem Nord- u.vj Süd-Dauermagneten. Die beiden Schwingenarme können sich parallel zueinander beiderseits der Scheibe so bewegen, daß das Magnetfeld an verschiedenen 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 nicht mehr von z. B. rechts nach links, sondern um 90° gedreht von vorne nach hinten erfolgt. Beides

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

Flg. 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 II bzw. 10 gehalten und zeigt über

to die Muffe 14 die Verbindung zur Antriebsmaschine IS. 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 Flüssigkelten In Wirbelstrombremse und Heizungsanlage. Die Größe des Wärmetauschers Ist den Gegebenheiten anzupassen. Bei einer 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 Pumpentelle. Ebenso sind Sicherheitseinrichtungen, wie zusätzliche mechanische Bremse und Feststellvorrichtungen nicht gezeichnet.
Nach Flg. 5 kann die etwas verkürzte Schwinge beiderseits der Achse arbeiten und damit für 2 Drehrichtungen wirksam werden. In 2 weiteren Darstellungen 1st die Einrichtung (waagerechte Scheibe) mit einer horlzontalachslgen (Flg. 6) und vertlkalachslgen (Flg. 7) Windkraftmaschine kombiniert. Während nach Flg. 6 ein zusätzliches Kegelradgetriebe mit Dreheinrichtung 21 Verwendung findet, muß der andere Rotortyp (Flg. 7) mit einer Anlaufhilfe (z. B. Schalenkranz) 22 versehen werden. In letztgenannter Zeichnung 1st auch die verstärkte Ausnutzung durch mehrere (Im Beispiel 2 Stück) Schwingensysteme mit Magnetkombinationen angedeutet.

Die weiteren Fig. 8 bis 11 zeigen auf, wie In Abhängigkeit vom Scheibenradius zusätzlich der wirksame elektrische Leitwert geändert werden kann. Das erfolgt in Flg. 8 durch unterschiedliche Materlallen 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 technischen Fortschritt erläutern:

1. Beispiel für die Anwendung als Windenergiewandler

Mittlerer Heizwärmebedarf eines Einfamilienhauses etwa 5 kW

^ 30-40 000 kWh/Jahr

Maximaler Wärmebedarf etwa 10 kW

Jahresmittel der Windgeschwindigkeit im Küstenbereich bis Hamburg >4-5 m/s
(Frühjahr und Herbst wesentlich höher)

Aus Literaturangaben abgeleiteter möglicher Windrotor 8 m 0

(horizontale Achse) 6 kW bei 8 m/s

80 U/min

Mit dem Windrotor kann ohne Übersetzung folgende erfmdungsgemäße Einrichtung direkt gekoppelt werden:

Scheibe Aluminium 6 mm dick, homogen,

Scheibendurchmesser 1,8 m

Kobalt-Samarium Magnetmaterial 5 kg

konstanter Gesamtabstand der Magnete ö_ges = 16 mm

Nennauslegung für etwa 1 600 N Bremskraft bei 3,8 m/s mit etwa 50% wirksamem Scheibenradius und 6 kW Wandlungsleistung.

Winddruck bei 8 m/s Windgeschwindigkeit: etwa 64 —

Winddruck bei 36 m/s Windgeschwindigkeit: etwa 1 300 —

(Windstärke 12) ^m

das entspricht einem Stellenverhältnis von etwa 1 : 20 bei konstanter Scheibendrehzahl

Die Möglichkeiten zur Kraftanpassung reichen jedoch bei Ausnutzung aller Varianten wesentlich weiter, nämlich

a) Durch Änderung des wirksamen Angriffsradius zwischen 125 und 800 mm bis 1 : 6,5

b) Durch Drehung der Magnetanordnung relativ zur Bewegungsrichtung

des Läufers bis etwa 1 : 4

c) Durch radiusabhängige Materialänderung des Läufers nach Art und Gestaltung 1 : 5

d) Durch Änderung des Abstandes <5_grader Magnete von 15-60 mm etwa 1 : 4,5

Bei gleichzeitiger Anwendung aller dieser Maßnahmen ergibt sich ein Stellenverhältnis >500 : 1 (konstante Drehzahl)

2. Vergleich

Eine bekannte, auf dem Markt käufliche Wirbelstrombremse mit elektrischer Erregung (WB elektrisch) wird mit einer bauvolumengleichen erfindungsgemäßen Einrichtung (WB magnetisch) verglichen:

A. Mechanik

Bauvolumen
Durchmesser Länge (ohne WE) Oberfläche
Gewicht

B. Energiewandlung

WB elektrisch eigenbelüftet

	WB elektrisch	WB magnetisch
in m³	0,45	0,45
in mm	800	1800
in mm	870	180
in m²	3,2	6,1
in kg	1 345 (Metall)	400 (Metall) + 400 (Flüssigkeit)

mit Fremdbelüftung

WB magnetisch

mit 5 kg mit 10 kg

Magnetmaterial Magnetmaterial

Dauer-Bremsleistung

Umdr.

in kW bei 100-

min

Dauer-Bremsleistung

Umdr.

in kW bei 200 -

Bremsleistung in kW max.

12

22

29

42

18

24

36

48

> 100

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dauermagneterregte Wirbelstrombremse in einem flüssigkeltsgefOllten Behälter für eine direkte Umwandlung von Wind- oder mechanischer Energie In Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, daß

* sich eine Bremsscheibe zwischen zwei sich gegenüberliegenden Dauermagnetanordnungen befindet,

daß die Dauermagnetanordnungen mindestens zwei durch Elsenrückschlüsse verbundene, ungleichnamige Pole aufweisen,

daß die Dauermagnetanordnungen an einer Schwinge mit dem Drehpunkt außerhalb der Scheibe befestigt sind derart, daß das Magnetfeld der Dauermagnete an verschiedenen Scheibenradien angreifen kann,

ίο daß die Dauermagnetanordnungen an der Schwinge unter einem festen Winkel montiert sind, derart, daß sie durch eine mit steigender Drehzahl zunehmende Kraftkomponente nach außen gedrückt und relativ zur Bewegungsrichtung der Scheibe gedreht werden,

daß an der Schwinge eine Feder angebracht ist, die der nach außen gerichteten Kraftkomponente für Dauermagneten das Gleichgewicht hält.

2. Wirbelstrombremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen kleinstem und größtem Scheibenradius der Luftspalt und/oder Leitwert der Scheibe in Abhängigkeit vom Scheibenradius ändert.